【Linux】进程（四）——进程虚拟地址空间

本文的知识点目前只是讲个大框架，在以后的文章中会反复进行深入讲解

在学习的过程中，我们总会产生一些疑惑：为什么堆内存地址向上增长、栈内存向下增长？普通变量函数结束就销毁，全局变量和static变量却能一直生效？字符串常量一碰修改就直接崩溃？

所有这些看似矛盾、难以理解的现象，根源全部指向一个非常重要的知识点：进程虚拟地址空间

我之前一直把这一块空间叫做程序内存分区，这其实是误区！根本没有程序内存分区/程序地址空间这一说法。程序只是磁盘上静态的普通文件，只有程序运行起来变成进程后，操作系统才会为会给它分配专属的逻辑空间，准确的叫法只有两个：进程地址空间/虚拟地址空间

之前的误解其实是当时知识掌握得不够，为了理解内容自己找补出来的说法，但是没关系，学习就是不断修正认知得过程。我们现在对进程有了一定的认识，可以重新来好好认识进程地址空间（虚拟地址空间）了

C/C++程序内存管理

这个是我之前写的博客，叫程序内存分区是错误的，应该叫进程虚拟地址空间分区，之前那片文章只适合前期学习

一、进程虚拟地址空间到底是啥？

1、程序VS进程VS物理地址VS虚拟地址

1. 程序：存放在磁盘上的静态文件，无内存占用、不参与 CPU 调度。不运行的话，只是一堆代码和数据的集合。本身没有任何地址划分
2. 进程：程序加载运行后的动态实体，拥有唯一PID，操作系统给它分配独立资源由操作系统管理，虚拟地址空间就是进程专属内存布局
3. 物理地址：是真实的硬件地址，只有操作系统和硬件（MMU）才能碰，用户代码根本看不到也改不了
4. 虚拟地址：这是操作系统层面的概念，是操作系统给每个进程虚构出的逻辑地址。我们代码中打印、使用的所有地址（如&a，malloc返回的指针），全部都是虚拟地址，和真实物理内存地址无关

2、直观查看虚拟地址空间的布局

下面这段代码，可以完整打印出进程内所有变量、代码、参数的虚拟地址

我们可以看到运行结果

原来低地址——>高地址，顺序是这样的：

1. 正文代码段
   存放程序的二进制指令，只读（防止代码被篡改），地址最低，对应图中的序号1

2. 只读常量区
   存放字符串常量、全局const常量等，紧跟代码段后面，也是只读，对应序号2

3. 初始化数据段（.data）
   存放已经初始化的全局变量，static静态变量。只要进程不退出，这片区域会持续存在。对应序号3

4. 未初始化数据段（.bss）
   存放未初始化的全局变量，进程启动时自动清零，只要把这个变量打印出来就会打印0，对应序号4

5. 堆区（Heap）
   malloc/new动态申请的内存在这里，地址由低向高向上增长
   （越申请地址会越来越大），对应序号5

6. 共享库/共享区
   存放系统共享库（比如libc）的代码和数据，我并没有打印，它在堆和栈之间

7. 栈区（Stack）
   存放局部变量、函数栈帧，函数返回地址，地址由高向低向下增长
   （越申请地址越来越小），对应序号6。函数执行完毕栈帧自动销毁，所以局部变量函数结束直接消失。

8. 命令行参数&环境变量区
   进程地址空间的最顶端，存放argv、env环境参数是整个用户空间地址数值最高的区域，对应下面输出的argv[0]、env[0] 到 env[24]

由此画出虚拟地址空间分布图

3、什么是虚拟地址空间

虚拟地址空间，是操作系统为每个进程分配的独立逻辑地址空间，依靠页表完成虚拟地址与物理内存的映射，以此实现进程内存隔离、统一管理内存

我们来打个比方：操作系统为每一个进程单独租了一间独立的“超大公寓”，这间公寓就是虚拟地址空间。对进程来说，它以为自己独占了一整间完整公寓，所有地址都是自己的，不受任何人干扰。但实际上，这间公寓是操作系统“画出来的”虚拟空间，不是真实物理内存

真实的物理内存，是楼下统一的“物理仓库”，所有进程共享。

操作系统通过页表，把每个进程的虚拟公寓房间号（虚拟地址），映射到物理仓库的真实位置（物理地址）

这么做的好处是隐藏物理内存、隔离进程、保护系统安全，避免进程随意篡改物理内存数据

如上图：

1. 进程操作的全部是虚拟地址
2. 依靠进程自带的页表，把虚拟地址转换为真实物理内存地址
3. 程序代码只有需要用的时候，才会从磁盘加载进物理内存

如何理解堆、栈的动态变化呢？
整个虚拟公寓的区域划分是固定的，但内部可用空间是动态的

• 堆区：公寓中间的空闲区域，需要内存就向上“拓展房间”，malloc就是申请新房间，free就是退还房间
• 栈区：公寓顶层的固定区域，函数调用就向下开辟栈帧房间，函数结束就自动回收房间

所谓内存动态变化，本质就是操作系统动态调整虚拟地址空间的映射范围

栈从高处往下，堆从低处往上，中间留出一大片空闲虚拟地址区间，这么设计的好处：
1.充分利用虚拟地址空间，栈、堆各自按需向中间拓展
2.中间的空洞形成隔离，正常情况下栈和堆不会互相覆盖，只有栈溢出时才会发生碰撞，触发程序崩溃

二、虚拟地址空间详细分析

1、为什么fork父子进程地址相同、数值不同？

我们来运行下面的代码

神奇的事情发生了：
父子进程中，&g_val 的地址完全一致，但子进程不断修改 g_val（数值持续递增），父进程 g_val 始终保持初始值100。

变量内容不一样，说明父子进程输出的变量绝对不是同一个变量，但地址值是一样的，说明我们看到的是虚拟地址！

同一个物理地址，不可能同时存储两个不同的数值：由此证明：代码中所有打印、使用的地址（比如 &g_val），全部都是虚拟地址，不是真实的物理内存地址。物理地址由操作系统完全隐藏、统一管理，用户程序根本看不到

虽然父子进程虚拟地址相同，但映射到了不同的物理内存，所以值互不影响

2、底层原理：写时拷贝机制

Linux创建子进程，不会直接复制物理内存数据，而是优先浅拷贝：

1. 子进程创建时，先拷贝父进程的PCB(task_struct)、虚拟地址空间(mm_struct)、页表，此时父子进程虚拟地址空间完全一致，共享同一块物理内存数据，节省内存开销

2. 但操作系统有一套严格的规则：父子进程共享的数据，只读不写，一旦修改，就会触发拷贝。在上面展示的进程中，当子进程执行g_val++尝试修改数据时，就会触发写保护异常。

3. 写时拷贝：操作系统立即为子进程单独开辟一块新物理内存，拷贝原有数据；同时更新子进程页表映射，相同的虚拟地址，映射到全新的物理内存上
   最终实现虚拟地址一模一样，物理地址完全不同，实现进程数据独立

fork后父子共享数据，此时数据是互通的、不独立的
只有发生写时拷贝后，两个进程的数据才彻底隔离、真正独立。
只读状态下共享数据，修改状态下拷贝数据，兼顾效率与独立性

3、页表和MMU

我们前面提到了操作系统通过页表，把每个进程的虚拟地址和物理地址连接起来

1. 那么什么是页表呢？
   页表是每进程都有的独立映射表，记录着：虚拟地址 → 物理地址 的一一对应关系，同时记录内存权限（读、写、执行）。每个进程都有自己的页表和自己的虚拟地址空间

2. 谁来查表？
   查表工作不由软件、代码完成，由 CPU 硬件 MMU（内存管理单元） 自动完成，速度极快，用户是感知不到的

3. 为什么代码段、字符串常量不可修改？
   代码段、字符串常量区之所以不能修改，根本不是代码限制，而是页表限制
   因为代码段、只读常量区对应的页表项，被操作系统统一设置为只读。当代码尝试写入这个区域数据，MMU硬件检测到写入操作和页面只读权限冲突，就会直接拦截程序，触发段错误 SIGSEGV 崩溃
   本质不是 C 语言语法限制，而是操作系统通过页表硬件管控进程行为，防止进程篡改指令、常量，保障系统内存安全

4、内核底层结构：mm_struct

Linux内核中，struct mm_struct结构体专门用来完整描述一个进程的虚拟地址空间，每个进程的 PCB（task_struct）内部都存在一个*mm指针指向该结构体
mm_struct 里记录了虚拟地址空间的所有信息：

1. 代码段、数据段、堆、栈等所有分区的的起始 / 结束地址
2. 页表指针、所有页面的读写执行权限
3. 共享库映射区域、文件 mmap 映射相关信息等

5、一些现象解释

（1） 内存挂起与swap交换区

当物理内存不足时，操作系统会将暂时不运行的进程数据，从物理内存转移到磁盘的Swap交换区

需要注意的是：
转移的只是物理内存里的数据，虚拟地址空间始终不变，只是映射的物理内存数据被暂存到磁盘。
当进程再次访问这片虚拟地址时，操作系统再把数据从磁盘换回物理内存

（2） Malloc/new底层本质：懒加载机制

我们调用 malloc、new 申请堆内存时，并不是直接占用物理内存，而是在进程虚拟地址空间的堆区，申请一段虚拟地址空间。
只有当我们真正读写这片虚拟内存时，才会触发缺页中断，操作系统才分配真实物理内存建立映射

1. 懒加载机制：
   进程启动时，进程刚创建时，仅构建 PCB、mm_struct、空页表，磁盘上的代码、常量、全局数据不会一次性全部加载进物理内存。只有进程首次访问对应虚拟地址，触发缺页中断，操作系统才将磁盘数据加载到物理内存。这么做可以大大提升进程启动速度，节省物理内存

2. 懒加载的实际应用：
   一款上百 G 的大型游戏，不需要启动时把全部资源加载进内存，仅加载启动界面、基础逻辑代码；切换地图、场景时动态加载对应资源，仅占用几 G 物理内存即可正常运行

6、设计虚拟地址空间的目的

1. 保障内存安全，管控进程行为
   借助页表的权限位，操作系统可以拦截进程的非法读写。不允许进程随意修改程序代码、只读常量，也禁止越界访问其他进程的内存。就算某一个进程崩溃，也只会销毁该进程自己的资源，不会造成整个操作系统宕机
2. 解耦进程逻辑与物理内存
   进程只使用规整连续的虚拟地址空间，完全感知不到物理内存的实际布局。物理内存的分配、回收、碎片整理全部交由操作系统处理
   虚拟地址连续，并不要求对应的物理内存也连续。操作系统可以把内存中零散的物理碎片，映射成一块连续的虚拟地址给到进程，充分利用内存资源
3. 懒加载，提升内存利用率与启动速度
   程序刚开始运行时，不需要把全部代码和数据一次性加载到物理内存，采用按需加载的策略。只有当进程真正访问某块内存时，才分配对应的物理内存。既加快了程序启动速度，又避免内存被无效数据占用
4. 完成进程之间的内存隔离
   每一个进程都拥有属于自己的虚拟地址空间以及独立页表。结合 fork 的写时拷贝机制，各个进程的数据互相隔离，一个进程无法读取、篡改另一个进程的数据