【操作系统】进程虚拟地址空间分段解析

旧城等待， 2022-10-22 02:47 210阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  用户进程 的 虚拟地址空间部分 分段介绍
 *   *  1. 内核空间
     *  2. 环境变量
     *  3. 命令行参数
     *  4. 栈
     *  5. 内存映射段
     *  6. 堆
     *  7. 数据段
     *   *  7.1 BSS段
         *  7.2 DATA段
     *  8. 代码段
     *  9. 保留区
 *  分段的好处

# 用户进程 的 虚拟地址空间部分 分段介绍 #

Linux中每一个运行的程序（进程），32位操作系统都会为其分配一个 0 ～ 4GB 的进程虚拟地址空间，64位操作系统会为其分配一个 0 ～ 16TB 的进程虚拟地址空间。

> 解释：  
> 32 位操作系统下，一个指针的大小为 32 位即 4 个字节，它所能保存的地址范围为 \[0, 2^32\] ，所以它的寻址范围为 4GB 大小，所以 32 位操作系统下系统给进程分配的虚拟地址空间大小为 4 GB 。  
> 64 位操作系统下，一个指针的大小为 64 位即 8 个字节，它所能保存的地址范围为 \[0, 2^64\] ，即 4GB \* 4GB = 16TB，所以它的寻址范围为 16TB 大小，所以 64 位操作系统下系统给进程分配的虚拟地址空间大小为 16TB 。

进程：运行中的程序，Windows下的可执行文件有 `.exe`文件，Linux下可执行文件格式`ELF`

`图解虚拟地址空间分段`  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 1. 内核空间 ##

*  内核空间为内核保留，是受到系统保护的，用户不能对内核空间中的内容进行读写操作，否则会出现段错误（segmention fault）
 *  功能：

> 1.  内存管理：
> 2.  进程管理：
> 3.  设备驱动管理：
> 4.  VFS虚拟文件系统：

## 2. 环境变量 ##

*  用于存放`系统环境变量`和`用户环境变量`
 *  例如：Linux中的`PATH环境变量`

## 3. 命令行参数 ##

int main(int argc, char* argv[])

*  其中的是`argv`就是命令行参数
 *  命令行参数作用：可用于启动某一个程序的启动密码

## 4. 栈 ##

*  栈中存放`非静态局部变量` `函数形参` `函数返回地址`等
 *  栈中内存空间由`编译器`（静态的）自动分配和释放，行为类似数据结构中的栈结构

> 主要用途：
> 
> 1.  为函数内部声明的**非静态局部变量**提供存储空间
> 2.  记录函数调用过程相关的维护性信息，称为栈帧（stack frame）
> 3.  作为`临时存储区`，用于暂时存放`较长的算术表达式部分计算结果`，或者运行时调用alloca函数`动态分配`栈内内存

*  栈内存增长：栈能够增长到的最大内存容量为RLIMIT\_STACK（通常是8M），如果此时栈的大小未达到RLIMIT\_STACK，则栈会自动增长至程序运行所需的大小，如果此时栈的大小已经达到RLIMIT\_STACK，若再向栈中不断压入数据，会触发页错误。栈的实时大小会在运行时由内核动态调整
 *  查看栈大小：`ulimit -s`可查看和设置`栈的最大值`，当程序使用的栈大小超过该值，会发生`segmentation fault`
 *  栈的增长方向：既可以向高地址增长，也可以向低地址增长，这取决于具体实现，该篇文章默认是向下增长

## 5. 内存映射段 ##

*  内核将`硬件文件的内容`直接映射到内存，任何应用程序都可通过操作系统的系统调用来请求这种映射。
 *  Linux下的`请求映射的系统调用`为`mmap系统调用`；Windows下的请求映射的系统调用为CreateFileMapping或MapViewOfFile系统调用。
 *  内存映射是一种高效的文件IO方式，通过`映射`来间接的高效访问位于磁盘上的文件，因而可以用来装载动态共享库文件（动态链接库文件）。
 *  映射动态链接库文件：一个程序运行时，在`运行期的链接阶段`需要链接很多`依赖的动态链接库文件`，在Linux 2.4内核版本中，系统会将0x40000000作为起始地址为这些动态链接库文件分配相应空间，并在程序装载时将动态链接库文件载入到该空间；而在Linux 2.6内核版本中，装载的起始地址移动至更加靠近栈区的位置，约在0xBFxxxxxx附近。
 *  若通过`malloc`请求一大块内存（意味着比`MMAP_THRESHOLD`还要大，缺省为128KB），此时C运行库将创建一个`匿名内存映射`，而`不是使用堆内存`。

## 6. 堆 ##

*  堆用于存放进程`运行时动态分配`的内存段，可动态扩张或缩减。
 *  堆中内容是`匿名`的，无法通过名字进行访问，只能通过`指针`进行间接访问。
 *  当进程调用`malloc(C)/new(C++)`等函数分配内存时，新分配的在堆上`动态扩张`；当调用`free(C)/delete(C++)`等函数释放内存时，被释放的内存从堆上`动态缩减`
 *  分配的堆内存时经过`字节对齐`的空间，以适合`原子操作`。
 *  `堆管理器`通过`链表`管理每个申请的内存块
 *  由于堆内存块的申请与释放都是`无序`的，最终会产生许许多多`内存碎片`。
 *  堆的末端由`break指针`标识，当堆管理器需要更多内存时，可通过`系统调用brk和sbrk`来`移动break指针`以扩张堆，一般情况下由系统自动调用。

## 7. 数据段 ##

*  用于存放`全局变量`和`静态变量`

### 7.1 BSS段 ###

*  未初始化的全局变量和初始化为 0 的`全局`变量（包含全局静态变量）
 *  未初始化的静态局部和初始化为 0 的`静态局部`变量

### 7.2 DATA段 ###

*  初始化值不为 0 的`全局`变量（包含全局静态变量）
 *  初始化值不为 0 的`静态局部`变量

## 8. 代码段 ##

*  代码段也称正文段或文本段，用于存储CPU执行的`机器指令`（C语言执行语句翻译成机器代码）
 *  通常代码段是`可共享`的，可共享是指频繁运行的程序只需要在内存中有一份拷贝即可
 *  通常代码段是只读的，为了防止他人恶意修改机器指令

## 9. 保留区 ##

*  位于`虚拟地址空间的最低部分`，系统`不给该部分虚拟地址分配物理地址空间`，任何对它的引用和访问都是`非法`的。
 *  比如：给指针赋值为NULL或者0，都是让指针指向该部分。

# 分段的好处 #

`数据`与`代码指令`分别开辟空间有以下好处：

1.  当程序被装载后，数据和代码指令分别映射到两个虚拟内存区域。`数据区`对于进程而言`可读可写`，`代码指令区`对于进程而言`只读`
2.  现代CPU一般`数据缓存`和`指令缓存`分离，故进程虚拟地址空间中数据与代码指令分离有助于提高`CPU缓存命中率`
3.  若系统中运行多个该程序的副本时，其代码指令相同，故`内存`中只需要`保存一份该程序的代码指令`，大大减少了内存的开销，相同的程序的代码指令可以被多个副本进程所共享，但是`数据`是每个副本进程所`独有`的。

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