【Linux-14】进程地址空间＆虚拟空间＆页表——原理＆知识点详解
【Linux-14】进程地址空间＆虚拟空间＆页表——原理＆知识点详解
YY的秘密代码小屋
发布于 2024-04-25 20:21:00
发布于 2024-04-25 20:21:00
?
目录
- 一.什么是进程地址空间？
- 1.进程地址空间基本概念
- 2.mm_struct 基本概念
- 3.mm_struct/进程地址空间 实现“区域划分”的原理
- 二.什么是页表？
- ?
- 1.页表基本概念
- 2.进程是如何和“页表”进行联系?
- 3.每个进程都有页表，页表在“进程切换”如何跟踪
- 三.地址空间＆页表的作用机理
- ?
- 1.地址空间＆页表的基本原理
- 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）
- 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）
- 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）
- 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）
- 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）
一.什么是进程地址空间？
1.进程地址空间基本概念
- 每一个 进程 运行之后，都会有一个进程地址空间 的存在
- 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）
- 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。
- 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。
在这里插入图片描述
2.mm_struct 基本概念
- 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
- 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
- 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？
在这里插入图片描述
- 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
在这里插入图片描述
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
- 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
- 页表是一种特殊的数据结构，它位于系统空间的页表区
- 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。
在这里插入图片描述
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）
在这里插入图片描述
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。
在这里插入图片描述
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）
在这里插入图片描述
- 于是，操作系统会单独给子进程开辟一块新的物理地址
在这里插入图片描述
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！
在这里插入图片描述
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。
在这里插入图片描述
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】
在这里插入图片描述
- 页表实现linux挂起状态
- 把原来的11状态变成00状态
在这里插入图片描述
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：
- 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
- 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
在这里插入图片描述
- 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
在这里插入图片描述
- 此时属于"已分配(物理地址)"状态，标志位置1
在这里插入图片描述
- 结论：进程地址空间建立进程管理与内存管理的联系
在这里插入图片描述
本文参与?腾讯云自媒体分享计划，分享自作者个人站点/博客。
原始发表：2024-04-23，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
评论
登录后参与评论
推荐阅读