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🔍系列專欄：C++面向對象（類和對象篇）

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虛擬進程地址空間

虛擬地址空間 是指一個 OS為每個運行中的進程（程序）提供的一個抽象的、獨立的、連續的邏輯地址范圍。這個空間是 “虛擬的”，這并不意味著物理內存中真的有這么一大塊連續的區域，而是通過硬件（MMU，內存管理單元）和 Kernel 的協作，將虛擬地址映射到分散的物理內存頁上

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一、虛擬地址空間經典布局

一個進程的典型內存地址空間布局如下圖所示，它被劃分為多個具有不同權限（讀、寫、執行）的段（Segments）：

從高地址到低地址：

1. 內核空間（Kernel Space）
   • 通常位于地址空間的最高處（例如，在32位Linux中，0x C000 0000以上）。
   • 存放操作系統內核的代碼、數據和數據結構。
   • 所有進程共享同一份內核映射。但這段空間受保護，用戶態進程無法直接訪問，必須通過系統調用（Syscall）進入內核態才能訪問。
2. 棧（Stack）
   • 向下增長（向低地址方向）。
   • 用于存儲局部變量、函數參數、返回地址等。
   • 每個函數被調用時，會在棧上分配一個新的“棧幀”。
   • 它的增長是自動的，但大小有限（通常默認為幾MB），溢出會導致“棧溢出”錯誤。
3. 內存映射段（Memory Mapping Segment）
   • 用于映射文件或匿名內存。
   • 動態鏈接庫（如 .so、.dll 文件）就加載在這里。
   • 也可以通過 mmap() 系統調用創建，用于大塊內存的分配或進程間共享內存。
4. 堆（Heap）
   • 向上增長（向高地址方向）。
   • 用于動態內存分配。當程序員使用 malloc()、new 等申請內存時，內存就從這里分配。
   • 堆的大小只受限于系統可用的虛擬內存總量，管理由程序員負責（分配和釋放）， improper management leads to memory leaks.
5. BSS 段（.bss）
   • 存放未初始化的全局變量和靜態變量。
   • 在程序開始執行前，操作系統會將此段初始化為零。
6. 數據段（.data）
   • 存放已初始化的全局變量和靜態變量。
7. 代碼段（文本段）（.text）
   • 存放程序的執行代碼（機器指令）。
   • 通常是只讀和可執行的，以防止代碼被意外修改。
8. 保留區（Reserved）
   • 通常是最低地址的一段空間（例如 0x0 到 0x400000），不允許訪問，用于捕捉空指針等錯誤。

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地址區域分布：

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感受虛擬地址：

fork()：一次調用，兩次返回

這是理解 fork() 最關鍵也是最反直覺的一點：

• 在父進程中，fork() 返回新創建子進程的進程ID（PID）（一個大于0的數）。
• 在子進程中，fork() 返回 0。
• 如果創建失敗（例如系統資源不足），fork() 返回 -1。

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進程具有獨立性：數據層面上，互不影響；此時就需寫時拷貝，實現進程的個性化

相同地址，獲取不同變量值

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二、頁表

2.1 核心定義：什么是頁表？

頁表是虛擬內存系統的核心數據結構，是連接 虛擬地址 和 物理地址 的“地圖”或“翻譯官”；是 Kernel 為每個進程維護的一個映射表，它記錄了該進程的虛擬內存頁對應到物理內存幀的映射關系

簡單來說，它的工作就是回答這個問題：

“這個進程看到的虛擬地址 X，實際上在物理內存的哪個地方？”

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OS 會將進程物理地址隱藏起來，我們只能觀測到進程的虛擬地址

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解決歷史遺留問題：

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2.2 為什么需要頁表？

頁表是實現虛擬地址空間這一抽象概念的技術基礎。沒有頁表，虛擬內存就無法工作。它的存在是為了：

1. 實現地址翻譯：將程序使用的 虛擬地址轉換 為硬件使用的 物理地址。
2. 實施內存保護：通過頁表項中的權限位，控制進程對內存的訪問（可讀？可寫？可執行？）。
3. 支持“換出”到磁盤：通過頁表項中的“存在/不存在”位，操作系統可以知道某頁是否在物理內存中，如果不在，它的數據存放在硬盤的哪個位置。

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三、虛擬地址空間

3.1 虛擬地址空間是什么？

• **虛擬地址空間本質上就是 OS 給進程畫的一張餅！ **《大富翁例子》 讓進程誤以為其獨占整個內存的相關資源

畫大餅的作用：讓每一個進程都認為自己有 4GB的物理內存空間，或者：讓每一個進程都認為自己在獨占物理內存空間

OS 為每個進程都畫了大餅，所以我們也要把這張大餅管理起來

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3.2 如何管理虛擬地址空間？

先描述，在組織！

將所有的 虛擬進程地址空間[餅]，用鏈表的方式管理起來；因此，對餅的管理就轉化為了對鏈表的增刪查改

虛擬地址空間本質：Kernel當中為進程創建的結構體對象！

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3.3 為什么要有虛擬地址空間？

1. 將無/亂序的物理地址轉變為有序的虛擬地址！

• 對用戶（進程）而言：虛擬地址空間是連續且有序的
• 對系統（操作系統）而言：物理內存[完全隨機且不連續]的分配是靈活且混亂的

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2. 地址轉化過程中對地址與操作進行合法性判定，進而保護物理內存！

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a. 什么是野指針？

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b. char* str = “hello linux!”; *str = ‘H’；為什么在字符常量區寫入就會崩潰？

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3. 缺頁中斷 與 按需調頁

缺頁中斷是操作系統 “欺騙” 進程的基礎，也是它管理內存的得力工具（畫大餅）

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4. 使進程管理與內存管理，進行一定程度的解耦合

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進程管理 & 內存管理 –——> 直線脫鉤

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四、工業疑問

a. 創建進程時，是否可以只創建 PCB/地址空間/頁表？

核心觀點：惰性加載 (Lazy Loading) 與按需調頁 (Demand Paging)

問題背后隱藏著一個關鍵思想：為什么要在進程一開始就把它可能永遠用不到的東西全部加載好呢？ 這太浪費了….它們遵循 “惰性”原則，只在真正需要時才分配資源。這個過程就是通過 **缺頁中斷 ** 來實現的

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b. 創建進程現有task_struct，還是先加載數據/代碼

一定先有管理結構： task_struct 和 mm_struct，空頁表[虛物]。滯后加載代碼和數據[實物]，發生在第一次訪問時，由缺頁中斷機制驅動。并且，加載過程本身也是由這些數據結構指導

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c. 如何理解進程掛起？

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五、虛擬內存管理

虛擬內存管理是一種內存抽象機制。虛擬內存管理系統的任務，就是將進程使用的這些虛擬地址（Virtual Address）動態地映射到物理內存上的物理地址（Physical Address），或者必要時映射到磁盤上的交換空間（Swap Space）

這個過程主要由計算機的 內存管理單元（MMU） 和操作系統內核共同完成。

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描述 Linux 下進程的地址空間的所有的信息的結構體是 mm_struct （內存描述符）。每個進程只有? 個 mm_struct結構，在每個進程的 task_struct結構中，有?個指向該進程的結構

struct mm_struct{/*...*/struct vm_area_struct *mmap; /* 指向虛擬區間(VMA)鏈表 */        struct rb_root mm_rb; /* red_black樹 */                unsigned long task_size; /*具有該結構體的進程的虛擬地址空間的??*/             
/*...*/// 代碼段、數據段、堆棧段、參數段及環境段的起始和結束地址。unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;unsigned long start_brk, brk, start_stack;unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;/*...*/

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• Virtual Memory

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進程具有獨立性：

1. 內核數據結構獨立！
2. 加載進內存的代碼和數據獨立！

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目前，我們對于虛擬地址空間的理解只能做到局部性的邏輯自洽

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🌈 愿各位心中所想，終有所致！