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Linux下进程地址空间

news 来源：原创 2025/7/15 13:12:18

文章目录

1. 进程地址空间分布
2. 为什么要有进程地址空间
- - 一、主要功能
  - 二、重要特性
  - 三、应用场景
  - 四、与TLB的交互
3. 进程具有独立性

以x86(32位)为例子

1. 进程地址空间分布

processroom

进程地址空间，本质是一个描述进程可视范围的大小。

地址空间本质是一个内核数据结构,类似PCB一样, 地址空间要被操作系统管理:先描述，在组织

mm_struct 4.19内核

4.19

2.6 内核
2.6

在您提供的代码片段中，定义了一系列unsigned long类型的变量，这些变量通常用于存储与进程内存布局和统计信息相关的数据。下面是对每个变量的简要说明：

start_code, end_code：
- 这些变量通常用于表示代码段的起始和结束地址。代码段是存储程序指令的内存区域。
start_data, end_data：
- 这些变量表示数据段的起始和结束地址。数据段是存储已初始化全局变量和静态变量的内存区域。
start_brk, brk：
- start_brk可能表示堆的起始地址（在某些上下文中，它可能表示程序加载时堆的初始位置）。
- brk是当前堆的结束地址，也是堆扩展的边界。通过调整brk指针，可以动态地增加或减少堆的大小。
start_stack：
- 这个变量表示栈的起始地址。栈是存储局部变量、函数调用信息和返回地址的内存区域。
arg_start, arg_end：
- 这些变量表示命令行参数在内存中的起始和结束地址。
env_start, env_end：
- 这些变量表示环境变量在内存中的起始和结束地址。
rss：
- Resident Set Size（常驻集大小），表示进程当前占用的物理内存大小（不包括交换出去的部分）。
anon_rss：
- Anonymous RSS（匿名常驻集大小），表示由进程占用的、未映射到文件的物理内存大小（如堆和栈）。
total_vm：
- Total Virtual Memory（总虚拟内存），表示进程占用的总虚拟内存大小。
locked_vm：
- Locked Virtual Memory（锁定虚拟内存），表示被锁在内存中的虚拟内存大小，防止被换出。
shared_vm：
- Shared Virtual Memory（共享虚拟内存），表示与其他进程共享的虚拟内存大小。
exec_vm：
- Executable Virtual Memory（可执行虚拟内存），表示与进程的可执行代码相关的虚拟内存大小。
stack_vm：
- Stack Virtual Memory（栈虚拟内存），表示与进程的栈相关的虚拟内存大小。
reserved_vm：
- Reserved Virtual Memory（保留虚拟内存），表示为进程保留但尚未使用的虚拟内存大小。
def_flags：
- Default Flags（默认标志），可能表示与内存页相关的默认属性或标志。
nr_ptes：
- Number of Page Table Entries（页表项数量），表示进程使用的页表项的数量，页表用于将虚拟地址映射到物理地址。

这些变量通常通过特定的系统调用或库函数（如/proc/self/statm、/proc/[pid]/status、getrusage()等）来获取其值，或者在某些特定的上下文中（如内核模块或调试工具）直接访问进程的内存管理结构来获取。请注意，这些变量的具体含义和用途可能会根据操作系统和上下文的不同而有所变化。

2. 为什么要有进程地址空间

让进程以统一的视角看待内存
增加进程虚拟地址空间让我们访问内存的时候,增加一个转换过程,在这个转化的过程中,可以对我们的寻址请求进行审查,所以一旦异常访问,直接拦截,该请求不会到达物理内存保护物理内存
因为有地址空间和页表的存在, 将进程管理模块和内存管理模块进行解耦合!

why

CR3寄存器，全称为Control Register 3，是x86架构中的一种重要控制寄存器。以下是对CR3寄存器的详细介绍：

一、主要功能

CR3寄存器的主要功能是存储页目录表的物理地址。在x86架构的操作系统中，使用分页机制将虚拟地址映射到物理地址。为了实现这种映射，需要使用页表和页目录表来管理地址转换。CR3寄存器存储了页目录表的物理地址，当处理器执行访问内存的指令时，会将虚拟地址发送给内存管理单元（MMU）。MMU根据当前CR3寄存器中存储的页目录表地址进行地址转换，将虚拟地址转换为物理地址，并完成内存的访问。

二、重要特性

特权级别：CR3寄存器是特权级别的寄存器，只能在特权级别0（内核模式）下进行访问和修改。用户程序无法直接访问和修改CR3寄存器的值，它们只能通过特权级别0的内核代码提供的接口来间接修改CR3寄存器的值，例如在进程切换时更新CR3寄存器以切换页表。
页目录表基址：CR3寄存器也被称为PDBR（Page Directory Base Register），它保存了页目录表的物理地址。由于页目录表总是放在以4K字节为单位的存储器边界上，因此CR3寄存器的低12位总为0，不起作用。即使写上内容，也不会被处理。
地址转换：通过修改CR3寄存器的值，可以切换页目录表，从而改变虚拟地址到物理地址的映射关系。这是实现不同虚拟地址空间之间切换的关键。

三、应用场景

内存保护：CR3允许操作系统将不同的进程隔离在不同的虚拟地址空间，防止一个进程访问另一个进程的内存，从而保证系统的安全性和稳定性。
虚拟内存：CR3允许操作系统将硬盘空间作为虚拟内存的一部分，扩展了可用的内存空间，使电脑可以运行更大的程序和处理更多的数据。
进程切换：在进程切换时，操作系统会更新CR3寄存器的值以切换不同进程的页目录表，从而实现不同进程之间的内存隔离。这是操作系统实现多任务处理的基础。

四、与TLB的交互

TLB（Translation Lookaside Buffer）是一个高速缓存，用于加速虚拟地址到物理地址的转换过程。当处理器访问内存时，会首先检查TLB中是否包含所需的页表项。如果包含，则直接使用TLB中的物理地址进行访问；如果不包含，则需要通过CR3寄存器中的页目录表地址进行地址转换，并将结果存入TLB中以便下次使用。

在进程切换时，为了使新的页表生效，操作系统会更新CR3寄存器的值并刷新TLB。这是因为新的进程可能有不同的页目录表和页表项，因此需要清除旧的TLB内容以避免地址转换错误。

综上所述，CR3寄存器是x86架构中的一种重要控制寄存器，它通过存储页目录表的物理地址并参与地址转换过程，实现了内存管理、虚拟内存和进程切换等关键功能。同时，CR3寄存器还与TLB交互以加速地址转换过程并提高系统性能。

3. 进程具有独立性

进程是操作系统中的一个核心概念，用于描述一个程序在执行时的实例。每个进程都具有一定的独立性，这主要体现在以下几个方面：

独立的内存空间：每个进程都有自己独立的地址空间，这意味着进程之间的内存是相互隔离的。一个进程不能直接访问另一个进程的内存空间，这有助于保护数据的安全性和完整性。
独立的执行环境：每个进程都有自己的执行上下文，包括程序计数器、堆栈、数据段等。这些执行环境确保进程在执行时不会受到其他进程的影响，从而保持其独立性。
独立的资源分配：操作系统为每个进程分配独立的系统资源，如CPU时间、文件描述符、内存等。这些资源在进程的生命周期内归该进程所有，并受到操作系统的管理。
独立的调度和控制：操作系统可以独立地调度和控制每个进程的执行。这包括进程的创建、终止、挂起、恢复等操作，这些操作都是针对单个进程进行的，不会影响到其他进程。

然而，虽然进程具有一定的独立性，但它们之间仍然可以通过某些机制进行通信和协作。这些机制包括管道、消息队列、共享内存、信号等。这些通信机制允许进程之间交换数据和信息，从而实现更复杂的任务和功能。

总的来说，进程的独立性是操作系统设计和实现中的一个重要原则，它有助于保护进程的数据和状态，确保系统的稳定性和安全性。同时，通过提供适当的通信和协作机制，操作系统也允许进程之间进行有效的信息交换和合作。