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【Linux】进程的虚拟地址空间与页表映射
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我们先看一下这段代码
#include#include int g_val=10;int main(){ pid_t pid = fork(); if(pid < 0) { //创建子进程失败 perror("fork error\n"); return 0; } else if(pid == 0) { //子进程 printf("i am child g_val=[%d] pid=[%d] ppid=[%d]\n",g_val,getpid(),getppid()); } else { //父进程 printf("i am father g_val=[%d] pid=[%d] ppid=[%d]\n",g_val,getpid(),getppid()); } return 0;}
编译运行以下，可以看到父进程的 PID 是15474，子进程的 PID 是15475。两个进程所打印的 g_val 都是10。
那么子进程是拷贝父进程的 PCB 的，那么它们在底层是如何映射的呢？
一、进程虚拟地址空间
1.1 虚拟地址
在 fork 创建子进程时，它不仅仅拷贝了父进程的 PCB，与此同时还拷贝了父进程的页表映射关系，它们的关系就像下图一样。子进程和父进程通过页表映射到同一块物理内存当中，都映射到 g_val 且值都为10。
也就意味着，当 fork 完成之后，父进程之前的数据，会被父/子进程通过页表结构映射到同一块物理内存上。
如果，我们在父/子进程中修改了 g_val 的值，此时对应页表的映射就会发生改变。比如，将父进程的 g_val 的值修改为 20。
#include#include int g_val=10;int main(){ pid_t pid = fork(); if(pid < 0) { //创建子进程失败 perror("fork error\n"); return 0; } else if(pid == 0) { //子进程 printf("i am child g_val=[%d] pid=[%d] ppid=[%d]\n",g_val,getpid(),getppid()); } else { //父进程 g_val += 10; printf("i am father g_val=[%d] pid=[%d] ppid=[%d]\n",g_val,getpid(),getppid()); } return 0;}
那么，操作系统会在物理内存中为父进程重新开辟一段空间，保存父进程修改之后的值 g_val = 20，同时修改父进程中页表的映射关系。
由下面的图可以悟出：同一个变量地址相同，其实是虚拟地址相同；同一变量内容不同，其实是被页表映射到了不同的物理内存上。
1.2 写时拷贝
其实上述这种机制叫做 写时拷贝。
● 当 fork 的时候，如果父子进程不修改数据，则页表映射关系不发生改变
● 当父/子进程其中一方修改数据时，为了防止导致另一方读取到的数据是错误的，所以需要在物理内存当中重新开辟一段空间，保存修改后的值，并且将该进程页表的映射关系重新指向新的物理内存。
二、页表
我们平时在 C/C++ 中所看到的地址，全部都是虚拟地址，物理地址我们是看不到的，是由操作系统统一管理。由第1节中的两幅图可以看出，页表是虚拟地址和物理地址联系的纽带，操作系统（Operating System，简称OS）将虚拟地址通过页表转化成物理地址。
那操作系统又是如何通过页表将虚拟地址转化成物理地址的呢？
页表维护了页和块的关系。进程虚拟地址空间被 OS 分为一页一页的，物理内存被分成了一块一块的，其中 一页的大小 = 一块的大小 = 4096K。
2.1 分页式内存管理
原理：用户程序的虚拟地址空间被划分成若干个固定大小的页，相应的，物理内存空间也被分成相应的若干个物理块，页和块的大小相等，可将用户程序的任意一页放在内存的任一一块，这些块不必连续，实现离散分配，减少资源碎片化。
虚拟地址 = 页号 + 页内偏移
物理地址 = 块的起始位置 + 页内偏移
其中：页号 = 虚拟地址 / 块的大小
页内偏移 = 虚拟地址 % 块的大小
块的起始位置 = 块号 * 块的大小
块的大小 = 4096k
举例： 假设有一个虚拟地址是 0x 00001622（对应的十进制 5666），计算它的物理地址是多少？（其中页表的映射关系如下图所示）
页号 = 虚拟地址 / 块的大小 = 5666 / 4096 = 1;
页内偏移 = 虚拟地址 % 块的大小 = 5666 % 4096 =1570；
页号为 1 根据上图的映射关系可推断出块号是 7 ；
块的起始位置 = 块号 * 块的大小 = 7 * 4096 = 28672；
物理地址 = 块的起始位置 + 页内偏移 = 28672 + 1570 = 30242。
将其转换成16进制为 0x 0000 7622。
2.2 分段式内存管理
原理： 用户程序的虚拟地址空间被划分成若干个大小不等的段，每段可以定义一组相对完整的逻辑信息，段的长度由相应的逻辑信息组的长度决定。存储分配时，以段为单位，段育段在内存中不可以相邻接，也实现了离散分配。
虚拟地址 = 段号 + 段内偏移
2.3 段页式内存管理
原理： 分页式能够有效的提高内存的里利用率，而分段能反映程序的逻辑结构，将分页式和分段式结合起来，就形成了段页式内存管理，在段页式内存管理中，用户的虚拟地址空间首先被划分成若干个逻辑分段，每段都有自己的段号，然后在将每段分成若干个大小相等的页。
虚拟地址 = 段号 + 页号 + 页内偏移
1、通过段号找到页的起始位置；
2、通过页的起始位置，找到对应的页表结构；
3、通过页号，找到对应的块号，通过块号，计算出块的起始位置；
4、块的起始位置加上页内偏移计算出物理地址。
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