【Linux-14】进程地址空间&虚拟空间&页表——原理&知识点详解

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前言

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一.什么是进程地址空间?

1.进程地址空间基本概念

  1. 每一个 进程 运行之后,都会有一个进程地址空间 的存在
  2. 进程地址空间是操作系统OS 给进程花的大饼 欺骗进程他有足够的空间用——使每个进程都认为自己独占系统内存资源。(即虚拟空间)
  3. 结论:进程地址空间并不是物理内存,而是 虚拟内存 的一部分(虚拟地址,不具备存储能力)
  • 进程地址空间本质上是一种 抽象概念 ,用于描述进程如何看待和使用内存。
  1. 每个进程都有自己的内存地址范围,这样就不会与其他进程发生冲突。进程地址空间通常被划分为几个部分,包括代码段、数据段、堆和栈等,每个部分都有其特定的用途。
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2.mm_struct 基本概念

  1. 进程地址空间需要被操作系统OS 管理 起来,每一个进程都有地址空间,需要 被先描述再组织 ,因此地址空间是一个内核的 数据结构(内核结构体) ,即我们接下来要提到的 mm_struct
  2. 先描述再组织原理博客:【Linux】程序员一定要了解的计算机管理理念——描述与组织(9)

3.mm_struct/进程地址空间 实现“区域划分”的原理

  1. mm_struct 及其实现区域划分的原理: 对一段线性空间设置start与end
  • 我们在这里举个例子:小胖和小花同学要对座位进行“区域划分”,我们 从计算机语言角度如何实现呢?
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  • 如下所示,我们通过将其 描述成结构体 对一段线性空间设置start与end,实现了区域划分
struct destop_area
{
    int total size;
    int xiaopang_start;
    int xiaopang_end;
    int xiaohua start;
    int xiaohua end;
}

struct destop_area area={100,0,50,50,100};
  • 我们打开linux内核结构体源码,也可以找到证明
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二.什么是页表?

1.页表基本概念

  • 引入:进程地址空间即虚拟地址,不具备存储能力
  1. 因此操作系统OS会对每个进程维护一张 映射表 对应着虚拟地址和物理地址 ,这就是 页表
  2. 页表是一种特殊的数据结构,它位于系统空间的页表区
  3. 页表还具有 权限控制 的功能,可以通过设置页表项的 权限位,实现对内存的读、写、执行等操作的控制。
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2.进程是如何和“页表”进行联系?

  • 进程各种访问寻址的前提, 一定是它在cpu上运行
  • cpu上有个 特殊寄存器cr3 ,他会保存页表地址,物理地址(页表地址会保存在进程的上下文当中)
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3.每个进程都有页表,页表在“进程切换”如何跟踪

根据第二小点内容:

  • 答: 经过cpu后,页表地址加载到上下文中保存好, 一起切换
  • 原理:进程切换时,地址也会被保存。

三.地址空间&页表的作用机理

1.地址空间&页表的基本原理

  • 如图:
  • 页表的主要作用是将虚拟地址空间映射到物理内存空间,实现虚拟地址到物理地址的转换。
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2.【页表实验1】探究为什么一对父子进程,同样虚拟地址,读取数据不同?(OS对页表的调整)

  • 我们经过fork,子进程经过写时拷贝会将页表 完整拷贝 下来一份
    (写时拷贝博客:【C++】STL容器——【深浅拷贝】与【写时拷贝】对比详解(拷贝构造)(10))
  • 因为 进程具有独立性 ,我们进行写入操作时,我们无法通过子进程修改父进程(对应同一块物理内存)
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  • 于是,操作系统会单独给子进程开辟一块新的物理地址
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3.【页表实验2】为什么可执行程序中有大量代码和数据,加载到内存任意位置都可以,不用考虑顺序位置(页表映射功能)

  • 答:地址空间,以无序变有序——是加载到内存任意位置都可以,不用考虑顺序位置, 因为都会被页表映射
  • 【减小内存管理成本,没有页表每次都要变化pcb】
  • 分析:进程地址空间, 让进程以统一的视角看待内存
  • 一个进程,可以通过地址空间+页表可以将 乱序/乱序 的内存数据,变成 有序 ,分门别类的规划好!【Linux-14】进程地址空间&虚拟空间&页表——原理&知识点详解,YY滴 《Linux系列》,linux,数据库,mongodb

4.【页表实验3】为什么字符常量区不可被修改?它曾经是如何被修改的?(页表的权限控制功能)

  • 我们运行下面所示程序,程序会崩溃
int main()
{
  char *str= “hello Linux”;   //常量区曾经是如何被修改的?
  *str= 'H';   //常量区不可被修改
 
  return 0;
}
  • 核心原理:页表还具有 权限控制 的功能,可以通过设置页表项的 权限位,实现对内存的读、写、执行等操作的控制。
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问:为什么程序会崩溃?

  • 答:语言程度上:字符常量区不可被修改
  • 答:进程地址空间上: 页表权限设置 只读 ,所以不可被修改

问:曾经又是如何被加载的?

  • 答:进程地址空间上: 页表权限设置 可读写 ,所以可以被修改

5.【页表实验4】一个游戏的大小远比内存大,他在内存中如何加载呢?(页表如何实现linux挂起状态)

  • 系统并不需要全部将其加载到内存中,加载一部分/不加载,需要时加载
  • 其中涉及到挂起状态

页表如何实现linux挂起状态?

  • 页表中有一个字段, 标志内存是否要分配空间 && 有内容
  • 例如:00 01 11 10 二进制形式来表示【是否分配&& 有内容】【Linux-14】进程地址空间&虚拟空间&页表——原理&知识点详解,YY滴 《Linux系列》,linux,数据库,mongodb
  • 页表实现linux挂起状态
  • 把原来的11状态变成00状态
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6.【页表实验5】缺页中断(进程地址空间建立“进程管理”与“内存管理”的联系)【全流程配图详解】(重点)

全流程讲解:文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-861865.html

  1. 当前有个进程开始访问,通过cpu得到了页表的地址,访问页表,想找到物理地址
  2. 此时页表并没有物理地址,属于缺页;于是进入暂停状态
  • 假设此时状态为下图
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  1. 这时操作系统就把磁盘中的程序加载到内存中,并把物理地址填入缺失的页中
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  2. 此时属于"已分配(物理地址)"状态,标志位置1
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  • 结论:进程地址空间建立进程管理与内存管理的联系【Linux-14】进程地址空间&虚拟空间&页表——原理&知识点详解,YY滴 《Linux系列》,linux,数据库,mongodb

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