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研究背景
验证地址空间
实验一#xff1a;父子进程变量地址一致性
实验二#xff1a;变量值修改后父子进程的差异
分析与结论
实验三#xff1a;进程地址空间验证
理解进程地址空间
区域与页表
写时拷贝机制
进程地址空间的意义
文章手稿#xff1a; xmind…目录
研究背景
验证地址空间
实验一父子进程变量地址一致性
实验二变量值修改后父子进程的差异
分析与结论
实验三进程地址空间验证
理解进程地址空间
区域与页表
写时拷贝机制
进程地址空间的意义
文章手稿 xmind: 研究背景
本文研究基于 Linux kernel 2.6.32 的32位平台进程地址空间的区别与实现。通过具体的代码示例和实验揭示虚拟地址空间的概念并探讨其重要性和操作系统对其管理的机制。
程序地址空间的回顾
在学习 C 语言时常见的程序地址空间布局如下图所示
#include stdio.h
#include stdlib.h
int main()
{printf(%s\n, getenv(PATH));return 0;
}上述代码展示了典型的程序地址空间结构但我们对其理解并不深入。通过进一步的代码实验可以更好地理解程序地址空间的概念。 验证地址空间
实验一父子进程变量地址一致性
#include stdio.h
#include unistd.h
#include stdlib.h
int g_val 0;
int main()
{pid_t id fork();if(id 0){perror(fork);return 0;}else if(id 0){ //childprintf(child[%d]: %d : %p\n, getpid(), g_val, g_val);}else{ //parentprintf(parent[%d]: %d : %p\n, getpid(), g_val, g_val);}sleep(1);return 0;
}输出结果可能因环境而异 实验二变量值修改后父子进程的差异
#include stdio.h
#include unistd.h
#include stdlib.h
int g_val 0;
int main()
{pid_t id fork();if(id 0){perror(fork);return 0;}else if(id 0){ //childg_val100;printf(child[%d]: %d : %p\n, getpid(), g_val, g_val);}else{ //parentsleep(3);printf(parent[%d]: %d : %p\n, getpid(), g_val, g_val);}sleep(1);return 0;
}输出结果可能因环境而异 分析与结论
上述实验表明父子进程的变量地址相同但内容不同说明地址为虚拟地址且父子进程有各自独立的物理地址映射。这验证了虚拟地址的概念即我们在C/C中看到的地址是虚拟地址由操作系统负责将其转化为物理地址。
进程地址空间
程序地址空间实际上是进程地址空间的子集是系统级的概念。进程地址空间通过虚拟地址映射实现内存独立性确保进程间互不干扰。
实验三进程地址空间验证
#include stdio.h
#include unistd.h
#include stdlib.hint un_g_val;
int g_val 100;int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{printf(code addr : %p\n, main);printf(init global addr : %p\n, g_val);printf(uninit global addr : %p\n, un_g_val);char* m1 (char*)malloc(100);printf(heap addr : %p\n, m1);printf(stack addr : %p\n, m1);int i 0;for (i 0; i argc; i) {printf(argv addr : %p\n, argv[i]); }for (i 0; env[i]; i) {printf(env addr : %p\n, env[i]);}
}运行结果
地址整体依次增大堆区向地址增大方向增长栈区向地址减少方向增长验证了堆和栈的挤压式增长方向。
验证静态局部变量
静态修饰的局部变量编译的时候已经被编译到全局数据区这一点可以通过以下代码验证
#include stdio.h
#include stdlib.h
void func() {static int static_var 10;printf(static_var addr: %p\n, static_var);
}
int main() {func();return 0;
}结论 这也说明了这些变量的地址在全局数据区而不是局部栈区。 理解进程地址空间
区域与页表
进程地址空间通过 mm_struct 结构体来管理各个区域。每个区域的定义如下
struct mm_struct {long code_start;long code_end;long init_start;long init_end;long uninit_start;long uninit_end;long heap_start;long heap_end;long stack_start;long stack_end;...
}用一个start 和end 就可以表示区域
每个区域都有一个 start 和 end它们之间就有了地址地址我们称之为虚拟地址 然后这些虚拟地址经过页表就能映射到内存中了。 父子进程全局变量共享与写时拷贝
#include stdio.h
#include unistd.h
#include stdlib.hint g_val 100;
int main(void)
{pid_t id fork();if (id 0) {// childint flag 0;while (1) {printf(child: %d, ppid: %d, g_val: %d, g_val: %p\n, getpid(), getppid(), g_val, g_val);sleep(1);flag;if (flag 5) {g_val 200;printf(child modified g_val\n);}}}else {// fatherwhile (1) {printf(parent: %d, ppid: %d, g_val: %d, g_val: %p\n, getpid(), getppid(), g_val, g_val);sleep(2);}}
}运行结果 在父子进程中虚拟地址相同但值不同验证了写时拷贝机制。 写时拷贝机制 写时拷贝是指当父子进程有一方尝试修改变量时操作系统会为修改方分配新的物理内存并拷贝数据以确保独立性。 回顾fork的两个返回值
pid_t id 是属于父进程的栈空间中定义的。
fork 内部 return 会被执行两次return 的本质就是通过寄存器将返回值写入到接收返回值的变量中。当我们的 id fork() 时谁先返回谁就要发生 写时拷贝。所以同一个变量会有不同的返回值本质是因为大家的虚拟地址是一样的但大家的物理地址是不一样的。 进程地址空间的意义
虚拟地址空间通过软硬结合层保护内存并简化进程和程序的设计和实现确保进程的独立性和安全性。
表格进程地址空间区域划分
区域类型起始地址结束地址代码区code_startcode_end初始化全局变量init_startinit_end未初始化全局变量uninit_startuninit_end堆区heap_startheap_end栈区stack_startstack_end
那么有什么意义呢 拓展os 对大文件的分批加载是怎么实现的呢 采用惰性加载的方式
存在 缺页中断 重新申请 填写页表 缺页中断 当一个进程访问虚拟内存中的某一页时操作系统会先检查该页是否当前已经被加载到物理内存中。如果这一页已经在物理内存中CPU就可以直接访问它。但是如果这一页并没有在物理内存中就会发生缺页中断。 当发生缺页中断时CPU会暂停当前的执行并将控制权交给操作系统内核。操作系统内核会首先查找页表寻找到相关的页面对应的磁盘地址。然后操作系统会将磁盘上的内容读取到空闲的物理内存页中。 一旦内容被加载到物理内存中操作系统会更新页表将该页面的映射关系添加到页表中然后将控制权交还给进程并重新开始执行。这样进程可以继续访问所需的内存页面。 整个过程用于解决虚拟内存中的页面不在物理内存中的问题使得系统看起来好像比它实际拥有的更多内存一样从而使得多个进程能够共享有限的内存资源提高内存利用率和系统的整体性能。 就达到分批加载的效果啦 所以 进程 应该是先创建内核数据结构再执行可执行程序的
文章手稿
