--虚拟地址空间)
初步认识地址空间我们在之前c语言和c的学习过程中,对栈和堆,都有了一部分的了解.我们先来复习一下,堆栈,字符常量区,全局变量,指针,指针所指向的内容是什么我们先来分析一下str是一个字符串常量str则是一个指针,是局部变量,存放在栈上main函数的地址g_unval是未初始化的全局变量,g_val是完成初始化的全局变量str是常量字符串test 是静态变量hemp_mem是在堆上申请的空间hemp_mem是一个指针类型,也是一个局部变量,局部变量是存在于栈上面的按照我们之前对于内存空间的理解,首先全局变量和静态变量的存储位置是比较接近的,局部变量存储在栈上面,而堆和栈相聚是比较远的接下来我们来看下一组的对比我们在堆上和栈上申请空间,看他们的增长方向观察结果我们不难看出栈的增长方向,是往地址更小的位置,而堆则相反往地址更大的方向增长堆,栈相对而生引出虚拟地址空间按照我们之前的理解应该是父进程,子进程打印global结果是一致的,global的地址也是相同的现在我们让子进程的global自己进行但是我们却看到global有不同的值,但是父子进程的global地址却是一样的???这该如何解释呢??一个数怎么会即是10又是11-进程拥有独立性,之前我们也解释过可是为什么两者的地址是一样的,-也就是说实际上这个地址(指针)不是物理地址-这个地址实际上是虚拟地址我们先来认识一下虚拟地址空间虚拟地址空间通过专属页表映射到物理内存实现进程地址隔离。我们再各种软件里面看到的就是虚拟地址,而并非真实的物理内存地址.1. fork 刚创建子进程浅拷贝共享物理内存子进程复制父进程的task_struct、完整虚拟地址空间、页表页表只复制页表项不复制物理内存父子页表中相同虚拟地址如0x601054指向同一块物理内存页物理地址0x12345678存放全局变量global10只读段.text代码、.rodata常量天然共享无任何复制开销此时父子进程完全共享数据物理页这一步叫浅拷贝大幅降低 fork 创建开销。2. 触发修改写时复制 COWCopy On Write当子进程执行global 11修改共享全局变量时CPU 访问虚拟地址0x601054发现对应物理页是共享只读页COW 标记触发缺页异常内核分配一块新物理内存新物理地址0x88888888把原物理页内容完整拷贝过去修改子进程的页表项虚拟地址0x601054重新映射到新物理页在新物理页上将global修改为 11父子进程数据物理页彻底分离各自独立互不干扰。修改页表的映射位置,实现刚刚的现象阶段物理内存状态核心特点fork 刚创建父子共享全部数据、代码物理页浅拷贝零复制开销仅读数据持续共享物理页无内存复制任意一方写数据触发 COW分配新物理页并拷贝父子数据页分离互相隔离执行代码永久共享代码物理页只读段不触发 COW进一步理解虚拟地址空间做一个类比大富翁承诺给每个私生子死后给他们留下遗产,每个人都是单独告诉,彼此之间并不知道,私生子每次都回问大富翁要钱,或者车子,房子什么的,但都是一点一点要,不会说直接将大富翁的财产全部都拿走.随着索要的东西越来越多,大富翁对于私生子的管理变得更加困难,所以要对他索要的东西进行管理.类比角色操作系统真实概念大富翁操作系统 全部物理内存私生子 1~7系统中运行的各个进程大富翁承诺的专属遗产每人一套独立资产清单每个进程独有的虚拟地址空间私生子一点一点索要车子、房子进程运行时按需申请内存malloc、局部变量、全局变量、代码加载私生子彼此不知道对方资产进程间地址隔离A 进程的虚拟地址0x60103c和 B 进程同数值虚拟地址互不干扰无法互相访问大富翁统一管理所有实物资产OS 统一管理有限的物理内存通过页表做虚拟→物理地址映射每个进程都拥有 “完整独立资产” 的错觉大富翁单独给每个私生子画一份完整遗产清单让每个私生子以为自己独占所有房产、车辆 对应每个进程都拥有完整 4GB/8GB 虚拟地址空间进程以为自己独占全部内存感知不到其他进程存在。按需分配不会一次性把所有物理内存全部分配私生子不会一次性拿走所有财产只会用到什么才向大富翁索要 对应缺页异常 延迟分配进程刚创建时只分配虚拟地址不分配物理页只有真正读写该地址时OS 才分配物理内存大幅节省物理内存开销。所有进程共享同一份底层物理资源由 OS 统一调度所有私生子的实物资产都归大富翁统一保管 对应所有进程共用有限物理内存操作系统通过页表、换入换出、写时复制统一调度物理页。天然实现进程隔离私生子之间看不到对方的清单不能直接挪用别人的房子车子 对应进程地址空间完全隔离无共享内存 / 管道等机制时进程无法读写另一个进程的数据保障程序安全稳定。linux管理虚拟地址空间用的就是mm_struct结构体如何理解虚拟地址空间的区域划分小明和小红时同学,然后小明老是越界侵占小红的位置,所以小红再桌子上画了一条38线,说小明不能越界用计算机语言来描述整张课桌 进程完整虚拟地址空间小明 / 小红 两个不同内存区域比如堆、栈小明end/小红start数值相等就是区域分界硬件依靠这组起止数值判断地址是否越界。mm_struct结构体里面那对于那些变长的栈和堆又是怎么进行处理的呢对d里面的值进行修改再计算机里面就是修改mm_struct中对应段的end/ 起始地址重新划定虚拟区间 VMA。总述编译加载程序时内核初始化mm_struct填写代码、数据、堆、栈初始起止地址堆需要扩容修改brk边界新增 VMA栈向下增长缺页异常自动拓展低地址栈 VMACPU 访问虚拟地址时内核通过mm_rb红黑树匹配 VMA 区间对比start/end判断是否越界越界直接触发段错误保护进程隔离初步理解页表页表处理地址映射,其中还有标志位,判断是否存在r就是仅读权限,如果要修改,就会报错,-我们对const 对象修改会报错的原因0-再内存物理地址中并不存在-当前进程被挂起,进程中的数据和代码换出到磁盘的swap分区1-存在于物理地中.为什么全局变量、static 变量生命周期是全局??全局变量与所有static修饰变量全局 static、函数内 static不存放在栈中而是存储在进程虚拟地址空间的.data/.bss全局数据段程序加载启动时内核就为该段分配虚拟内存与物理页整个程序运行期间该内存区域不会被自动回收、销毁直到进程执行exit()、程序完全退出操作系统回收整个进程地址空间这段内存才释放所以其生命周期跟随进程
初步认识地址空间我们在之前c语言和c的学习过程中,对栈和堆,都有了一部分的了解.我们先来复习一下,堆栈,字符常量区,全局变量,指针,指针所指向的内容是什么我们先来分析一下str是一个字符串常量str则是一个指针,是局部变量,存放在栈上main函数的地址g_unval是未初始化的全局变量,g_val是完成初始化的全局变量str是常量字符串test 是静态变量hemp_mem是在堆上申请的空间hemp_mem是一个指针类型,也是一个局部变量,局部变量是存在于栈上面的按照我们之前对于内存空间的理解,首先全局变量和静态变量的存储位置是比较接近的,局部变量存储在栈上面,而堆和栈相聚是比较远的接下来我们来看下一组的对比我们在堆上和栈上申请空间,看他们的增长方向观察结果我们不难看出栈的增长方向,是往地址更小的位置,而堆则相反往地址更大的方向增长堆,栈相对而生引出虚拟地址空间按照我们之前的理解应该是父进程,子进程打印global结果是一致的,global的地址也是相同的现在我们让子进程的global自己进行但是我们却看到global有不同的值,但是父子进程的global地址却是一样的???这该如何解释呢??一个数怎么会即是10又是11-进程拥有独立性,之前我们也解释过可是为什么两者的地址是一样的,-也就是说实际上这个地址(指针)不是物理地址-这个地址实际上是虚拟地址我们先来认识一下虚拟地址空间虚拟地址空间通过专属页表映射到物理内存实现进程地址隔离。我们再各种软件里面看到的就是虚拟地址,而并非真实的物理内存地址.1. fork 刚创建子进程浅拷贝共享物理内存子进程复制父进程的task_struct、完整虚拟地址空间、页表页表只复制页表项不复制物理内存父子页表中相同虚拟地址如0x601054指向同一块物理内存页物理地址0x12345678存放全局变量global10只读段.text代码、.rodata常量天然共享无任何复制开销此时父子进程完全共享数据物理页这一步叫浅拷贝大幅降低 fork 创建开销。2. 触发修改写时复制 COWCopy On Write当子进程执行global 11修改共享全局变量时CPU 访问虚拟地址0x601054发现对应物理页是共享只读页COW 标记触发缺页异常内核分配一块新物理内存新物理地址0x88888888把原物理页内容完整拷贝过去修改子进程的页表项虚拟地址0x601054重新映射到新物理页在新物理页上将global修改为 11父子进程数据物理页彻底分离各自独立互不干扰。修改页表的映射位置,实现刚刚的现象阶段物理内存状态核心特点fork 刚创建父子共享全部数据、代码物理页浅拷贝零复制开销仅读数据持续共享物理页无内存复制任意一方写数据触发 COW分配新物理页并拷贝父子数据页分离互相隔离执行代码永久共享代码物理页只读段不触发 COW进一步理解虚拟地址空间做一个类比大富翁承诺给每个私生子死后给他们留下遗产,每个人都是单独告诉,彼此之间并不知道,私生子每次都回问大富翁要钱,或者车子,房子什么的,但都是一点一点要,不会说直接将大富翁的财产全部都拿走.随着索要的东西越来越多,大富翁对于私生子的管理变得更加困难,所以要对他索要的东西进行管理.类比角色操作系统真实概念大富翁操作系统 全部物理内存私生子 1~7系统中运行的各个进程大富翁承诺的专属遗产每人一套独立资产清单每个进程独有的虚拟地址空间私生子一点一点索要车子、房子进程运行时按需申请内存malloc、局部变量、全局变量、代码加载私生子彼此不知道对方资产进程间地址隔离A 进程的虚拟地址0x60103c和 B 进程同数值虚拟地址互不干扰无法互相访问大富翁统一管理所有实物资产OS 统一管理有限的物理内存通过页表做虚拟→物理地址映射每个进程都拥有 “完整独立资产” 的错觉大富翁单独给每个私生子画一份完整遗产清单让每个私生子以为自己独占所有房产、车辆 对应每个进程都拥有完整 4GB/8GB 虚拟地址空间进程以为自己独占全部内存感知不到其他进程存在。按需分配不会一次性把所有物理内存全部分配私生子不会一次性拿走所有财产只会用到什么才向大富翁索要 对应缺页异常 延迟分配进程刚创建时只分配虚拟地址不分配物理页只有真正读写该地址时OS 才分配物理内存大幅节省物理内存开销。所有进程共享同一份底层物理资源由 OS 统一调度所有私生子的实物资产都归大富翁统一保管 对应所有进程共用有限物理内存操作系统通过页表、换入换出、写时复制统一调度物理页。天然实现进程隔离私生子之间看不到对方的清单不能直接挪用别人的房子车子 对应进程地址空间完全隔离无共享内存 / 管道等机制时进程无法读写另一个进程的数据保障程序安全稳定。linux管理虚拟地址空间用的就是mm_struct结构体如何理解虚拟地址空间的区域划分小明和小红时同学,然后小明老是越界侵占小红的位置,所以小红再桌子上画了一条38线,说小明不能越界用计算机语言来描述整张课桌 进程完整虚拟地址空间小明 / 小红 两个不同内存区域比如堆、栈小明end/小红start数值相等就是区域分界硬件依靠这组起止数值判断地址是否越界。mm_struct结构体里面那对于那些变长的栈和堆又是怎么进行处理的呢对d里面的值进行修改再计算机里面就是修改mm_struct中对应段的end/ 起始地址重新划定虚拟区间 VMA。总述编译加载程序时内核初始化mm_struct填写代码、数据、堆、栈初始起止地址堆需要扩容修改brk边界新增 VMA栈向下增长缺页异常自动拓展低地址栈 VMACPU 访问虚拟地址时内核通过mm_rb红黑树匹配 VMA 区间对比start/end判断是否越界越界直接触发段错误保护进程隔离初步理解页表页表处理地址映射,其中还有标志位,判断是否存在r就是仅读权限,如果要修改,就会报错,-我们对const 对象修改会报错的原因0-再内存物理地址中并不存在-当前进程被挂起,进程中的数据和代码换出到磁盘的swap分区1-存在于物理地中.为什么全局变量、static 变量生命周期是全局??全局变量与所有static修饰变量全局 static、函数内 static不存放在栈中而是存储在进程虚拟地址空间的.data/.bss全局数据段程序加载启动时内核就为该段分配虚拟内存与物理页整个程序运行期间该内存区域不会被自动回收、销毁直到进程执行exit()、程序完全退出操作系统回收整个进程地址空间这段内存才释放所以其生命周期跟随进程
