linux操作系统|简单介绍进程地址空间（物理地址、虚拟地址、页表、缺页中断、mmu、进程地址空间的作用）_中断服务程序是虚拟地址还是物理地址

1. 什么是进程地址空间

进程地址空间是一个抽象概念，为运行中的程序提供了虚拟内存空间，包括代码、数据和堆栈等部分。操作系统通过进程地址空间管理不同进程的内存访问，确保它们互相隔离。

进程地址空间的分配如图：

2. 虚拟地址与物理地址的概念

• 虚拟地址： 进虚拟地址是一种计算机中用于访问内存的抽象地址，它并不直接对应着计算机内存中的实际存储位置。这使得程序员可以使用相对简单的虚拟地址进行内存访问。

• 物理地址： 实际存在于计算机硬件上的地址，用于在RAM（内存）中定位存储的数据。

3. 虚拟地址和物理地址的映射

页表

为了实现虚拟地址到物理地址的映射，操作系统使用页表这一数据结构。页表将虚拟地址划分成页（通常大小为4KB），并将每个页映射到物理内存的相应位置。

内存管理单元（MMU）

• 定义： MMU是一种硬件组件，嵌入在计算机的中央处理器（CPU）中。它负责实际的地址转换工作，将程序使用的虚拟地址转换为物理地址。

• 作用： MMU的主要作用是执行页表中定义的虚拟地址到物理地址的转换。当程序试图访问内存中的数据时，MMU会检查页表，找到相应的物理地址，并将数据加载到CPU的寄存器中。

虚拟地址通过页表和MMU的映射机制，被映射到物理地址。这种映射关系使得程序员能够使用相对简单的虚拟地址来访问内存，而无需考虑实际的硬件细节。

以下是一个父进程和其子进程的地址空间的映射图

4. 为什么需要虚拟地址

• 多道程序设计： 允许多个进程同时运行，每个进程都有独立的地址空间，防止彼此干扰。

• 地址隔离： 防止程序直接访问其他程序的内存，提高系统的安全性和稳定性。

• 简化编程： 程序员可以使用相对简单的虚拟地址进行内存访问，而不必考虑实际硬件细节.

• 地址空间限制： 物理地址空间有限，而虚拟地址提供了更大的地址空间，支持更大的程序和更多的并发执行。

• 灵活性： 虚拟地址允许操作系统在物理内存上动态调整程序的位置，提高系统的灵活性和性能。

5.cpu如何通过进程地址空间找到代码

虚拟地址到物理地址的映射：

在程序执行之前，操作系统会加载可执行文件并创建进程。操作系统使用页表来管理虚拟地址到物理地址的映射。每个进程都有自己的页表，它负责将程序使用的虚拟地址映射到实际的物理地址。

当一个函数的虚拟地址被引用时，操作系统会使用进程的页表查找虚拟地址对应的物理地址。如果页表中没有相应的映射关系，可能会触发缺页中断。

缺页中断处理：

如果出现缺页中断，操作系统会从硬盘或其他存储介质中加载相应的页面到内存中。这可能涉及到将某个磁盘上的页加载到内存中的某个位置，并在页表中建立映射关系。这个过程确保了只有在需要时才会将数据加载到内存，从而节省内存空间。这个过程类似于写时拷贝。

函数加载到内存：

一旦页表中建立了虚拟地址到物理地址的映射关系，函数的代码段和相关的数据就会被加载到内存中的相应位置。这通常包括代码段、全局变量、静态变量等，也可能是其他函数的调用，那么加载的就是该函数在进程中的虚拟地址（又会形成一个循环）。

CPU 执行：

CPU 在执行程序时，会根据指令寄存器中的值，从内存中读取指令。由于操作系统通过页表将虚拟地址映射到了物理地址，CPU 访问的实际上是物理地址上的指令。CPU 从这些物理地址中读取指令，并按照程序计数器的值逐条执行。