【Linux】进程概念（下篇） —— 程序地址空间详解

拼搏现实的明天。 2024-04-20 06:01 87阅读 0赞

> **?Linux：进程概念**
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> ![在这里插入图片描述][0c3f31bc6bb5460689d5e339f5299830.jpeg_pic_center]

#### 目录 ####

*  ?程序地址空间回顾
 *  ?验证进程地址空间的基本排布
 *  ?什么是进程地址空间
 *  ?理解进程地址空间
 *  ?Linux2.6内核进程调度队列 —— 了解
 *   *  ?进程队列数据结构图
     *  ?一个CPU拥有一个runqueue
     *  ?优先级
     *  ?活动队列
     *  ?过期队列
     *  ?active指针和expired指针

## ?程序地址空间回顾 ##

> **我们在学C语言的时候，老师应该给大家画过这样的空间布局图**

![在这里插入图片描述][426190c8ce17418485793869985aba42.png]

> **这张图到底有什么含义呢？我们今天来详细学习一下，`C/C++ 进程地址空间是一个很重要的概念，关系到我们能否学好编程语言`**

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## ?验证进程地址空间的基本排布 ##

> **话不多说，我们直接用一段代码来验证上面那张图是否正确。**

#include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>
      
    int g_unval;
    int g_val = 100;
       
    int main(int argc, char* argv[], char* env[])
    {
        
    	printf("code addr:         %p\n", main);
        const char* p = "hello bit!";
        printf("read only:         %p\n", p);
        static int a = 5;
        printf("static global val: %p\n", &a);
        printf("global val:        %p\n", &g_val);
        printf("global uninit val: %p\n", &g_unval);
        char* q1 = (char*)malloc(10);
        char* q2 = (char*)malloc(10);
        printf("heap addr:         %p\n", q1); 
        printf("heap addr:         %p\n", q2); 
        printf("p stack addr:      %p\n", &p);
        printf("q1 stack addr:     %p\n", &q1);
        printf("args addr:         %p\n", argv[0]);
        printf("args addr:         %p\n", argv[argc - 1]);
        printf("env addr:          %p\n", env[0]);
        
        return 0;                                                                                                                                                                           
    }

![在这里插入图片描述][11655634455e436982b71542d23b82a9.png_pic_center]

`从结果我们得知：`

>  *  **栈区地址是由`高到低`增长的**
>  *  **堆区地址是由`低到高`增长的**

> **细心的小伙伴就会发现，两个args addr的地址为什么是一样的呢？那我们再进一步验证一下**

`加上选项`

-a -b

![请添加图片描述][c0b0c9f34aeb4fb0b826372144fdf337.png]

> **根本原因是原本只有一行命令行参数，如果加上了选项就不一样了**

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## ?什么是进程地址空间 ##

`直接上代码观察`

#include<stdio.h>  
    #include<unistd.h>  
    #include<sys/types.h>  
       
    int g_val = 0;  
      
    int main()  
    {
          
    	printf("begin......%d\n", g_val);                                                                                                                                                   
    	pid_t id = fork();  
    	if(id == 0)  
    	{
           
    		int count = 0;  
    		while(1)  
    		{
          
    			printf("child pid: %d, ppid: %d, [g_val: %d][&g_val: %p]\n", getpid(), getppid(), g_val, &g_val);  
    			sleep(1);  
    			count++;  
    			if(count == 5)  
    			{
          
    				g_val = 100;  
    			}  
    		}  
    	}  
    	else if(id > 0)  
    	{
          
    		while(1)
    		{
        
    			printf("father pid: %d, ppid: %d, [g_val: %d][&g_val: %p]\n", getpid(), getppid(), g_val, &g_val);  
    			sleep(1);   		
    		}                                                                                    
    	}                                                                                                  
    	else                                                                                               
    	{
                                                                                                          
    		//TODO                                                                                         
    	}                                                                                                  
    	return 0;                                                                                          
    }

![在这里插入图片描述][234410c3e8074e9f86c01c5d1a9e3544.png_pic_center]

**`我们发现，父子进程，输出地址是一致的，但是变量内容不一样！能得出如下结论:`**

>  *  **变量内容不一样,所以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，该地址绝对不是物理地址!**
>  *  **在Linux地址下，这种地址叫做`虚拟地址`**
>  *  **我们在用C/C++语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理`（OS必须负责将虚拟地址转化成物理地址。）`**

> **可以知道`&g_val`一定不是物理地址(`真正在内存中的地址`)，因为同一个物理地址处怎么可能读取到的是不同的值。所以我们断言曾经`所看到的任何地址都不是物理地址`，而这种地址本质是虚拟地址，它是由操作系统提供的，那么操作系统一定要有一种方式帮我们把`虚拟地址转换为物理地址`，因为数据和代码一定在物理内存上存储，这是由`冯 • 诺依曼体系结构`规定的。**

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## ?理解进程地址空间 ##

> **地址空间在 Linux 内核中是一个mm\_struct结构体，这个结构体没有告诉我们空间大小，但是它告诉我们空间排布情况，比如`[code_start(0x1000), code_end(0x2000)]`，其中就会有若干`虚拟地址`，这是因为`操作系统为了把物理内存包裹起来`，给每个进程画的一把尺子，这把尺子我们叫进程地址空间。进程地址空间是在进程和物理内存之间的一个软件层，它通过mm\_struct这样的结构体来模拟，让操作系统`给进程画大饼`，每一个进程可以根据地址空间来划分自己的代码。进程地址空间本质是进程看待物理内存的方式，它是抽象出来的概念，其中 Linux 内核中是用mm\_struct数据结构来表示的。这样的话每个进程都认为自己独占系统内存资源(好比每个老婆都认为自己独占10亿)；区域划分的本质是将线性地址空间划分成为一个一个的区域\[start, end\]；而所谓的虚拟地址本质是在\[start, end\]之间的各个地址。**

![在这里插入图片描述][a135769d1e0b4e38ae37d45d9584ee4c.png]

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## ?Linux2.6内核进程调度队列 —— 了解 ##

### ?进程队列数据结构图 ###

![在这里插入图片描述][0825f6b7782743b193263cf8607e6a58.png]

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### ?一个CPU拥有一个runqueue ###

> **如果有多个 CPU 就要考虑进程个数的负载均衡问题。**

### ?优先级 ###

>  *  **普通优先级：100～139（我们都是普通的优先级，想想nice值的取值范围，可与之对应！）**
>  *  **实时优先级：0～99（不关心）**

### ?活动队列 ###

>  *  **时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列**
>  *  **nr\_active: 总共有多少个运行状态的进程**
>  *  **queue\[140\]: 一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度,所以，数组下标就是优先级！**

> **`从该结构中，选择一个最合适的进程，过程是怎么的呢？`**
> 
>  *  从0下表开始遍历queue\[140\]
>  *  找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列
>  *  拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成！
>  *  遍历queue\[140\]时间复杂度是常数！但还是太低效了！

>  *  **bitmap\[5\]:一共140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用5\*32个比特位表示队列是否为空，这样，便可以大大提高查找效率！**

### ?过期队列 ###

>  *  **过期队列和活动队列结构一模一样**
>  *  **过期队列上放置的进程，都是时间片耗尽的进程**
>  *  **当活动队列上的进程都被处理完毕之后，对过期队列的进程进行时间片重新计算**

### ?active指针和expired指针 ###

>  *  **active指针永远指向活动队列**
>  *  **expired指针永远指向过期队列**
>  *  可是活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期时一直都存在的。\*\*
>  *  **没关系，在合适的时候，只要能够交换active指针和expired指针的内容，就相当于有具有了一批新的活动进程！**

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/m0_60338933?type=blog
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