Linux——进程地址空间，写时拷贝，进程独立性_linux进程写实拷贝

Linux进程内存分布

验证地址空间排布

结论：堆区向地址增大的方向增长，栈区向地址减少的方向增长。局部变量通常保存在栈上，先定义的先入栈，地址是比较高的，后定义的则地址小。

static变量

作用域不变，生命周期改变，如何改变？
编译器会把静态变量放到全局区。静态变量和全局变量的存在同一块空间的，但是只有在函数内才可见。

进程地址空间

每一个进程被运行的时候，操作系统都会为其创建进程地址空间，也会建立各自的页表。虚拟地址空间是物理地址的映射。
如何管理地址空间？
先描述再组织。进程地址空间实际上也是内核中的一个数据结构，mm_struct。
虚拟地址和物理地址之间会有一个页表用于建立映射关系。

mm_struct和vm_area_struct

mm_struct是虚拟地址空间，vm_area_struct是用于划分区域的。
task_struct里有一个mm_struct指针指向虚拟地址空间结构体。
mm_struct里有一个vm_area_struct指针指向mmap，维护了虚拟地址空间的各个区域，来划分每一个区域（栈、堆、代码区）的起点与终点。

unsigned long total_vm, locked_vm, shared_vm, exec_vm;

unsigned long stack_vm, reserved_vm, def_flags, nr_ptes;

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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标识每个区域的起始和终止地址范围。
这里的地址作为页表的K值来与物理地址建立映射。
页表是进程加载到程序的时候自动建立的。通过页表的K值找到实际物理内存里的数据。

程序是如何被加载变成进程的？

程序被编译后，还没被加载，此时程序内部有地址和区域吗？
有！链接就是把程序内部函数的地址和库中函数的地址关联起来。
编译后区域已经划分好了，变量放在对应的区域。除了堆区和栈区是加载到内存之后才有的。

进程本身中的代码也会有地址，但是这个地址是虚拟地址，在页表中作为K值，经过映射，加上偏移量，就能找到实际占用操作系统资源的地址。

比如程序中函数的代码的地址在程序中已经确定，为0x100，加载到内存后，这个地址加上了偏移量10000，放在了内存上的代码区。进程开始后，运行到这里，就要到物理内存中的0x10100中去找。编译后代码的位置已经确定，放到内存中又是一回事，因此要加上偏移量放到物理内存上。

fork的返回值

修改子进程val后父进程的val不变，同一地址的变量会有两个值？

很显然，在C/C++中的地址并不是内存物理上的地址，而是操作系统提供的虚拟地址，操作系统不允许直接读取物理内存。虚拟地址是一样的，但是物理地址是不一样的。

val是父进程的栈空间中的变量，fork函数return会被执行两次，return的本质就是通过寄存器赋值。当父子各自执行return，会发生写时拷贝。

写时拷贝

进程具有独立性，为了保证进程间数据独立，进程间不相互干扰，会有数据的写时拷贝，得到一张新的页表。在上面的程序中，变量的物理地址实际就不同了，因此数据也是不同的。

为什么要写时拷贝？

为什么不创建子进程的时候就写时拷贝？
在数据被修改的时候再深拷贝，而不是一开始就全部拷贝下来，因为可能数据都是只读的，可以节省空间。
最理想的是：只拷贝父进程中会被修改的数据，但是这是无法预测的，因此只能采用写时拷贝这种方式妥协。

代码会不会有写时拷贝？
如果涉及程序替换的时候就会。

为什么要有进程地址空间？

保证进程的独立性

有了自己的虚拟空间之后，就不会有任何系统级别的越界问题存在了。对某一地址空间进行操作之前需要先通过页表映射到物理内存，而页表只会映射属于各个进程自己的物理内存。

解耦了虚拟地址和物理地址

每个进程都认为拥有相同的空间范围，认为自己在独占内存，包括进程地址空间的构成和内部区域的划分顺序等都是相同的，编写程序的时候就只需关注虚拟地址，而无需关注数据在物理内存当中实际的存储位置。

进一步完善进程的独立性以及合理分配内存空间（当实际需要使用内存空间的时候再在内存进行开辟），并能将进程调度与内存管理进行解耦或分离。

比如Linux下向系统malloc申请空间时，系统不会立即真实分配，而只是修改vm_area中的起点和终点，因为怕用户占着不用浪费资源，而是在用户调用到的时候再立刻申请，建立页表映射关系。