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【Linux系统编程】第二十一弹---进程的地址空间

article 2024/11/15 3:02:09

✨个人主页：熬夜学编程的小林

💗系列专栏：【C语言详解】【数据结构详解】【C++详解】【Linux系统编程】

1、进程空间的地址

1.1、基本概念

1.2、代码分析

1.3、如何理解地址空间

1.4、进一步理解页表和写时拷贝

1.5、进一步理解虚拟地址

2、内核进程调度队列

2.1、一个CPU拥有一个runqueue

2.2、优先级

2.3、活动队列

2.4、过期队列

2.5、active指针和expired指针

2.6、总结

1、进程空间的地址

1.1、基本概念

程序段(Text):程序代码在内存中的映射，存放函数体的二进制代码。
初始化过的数据(Data):在程序运行初已经对变量进行初始化的数据。
未初始化过的数据(BSS):在程序运行初未对变量进行初始化的数据。
栈 (Stack):存储局部、临时变量，函数调用时，存储函数的返回指针，用于控制函数的调用和返回。在程序块开始时自动分配内存,结束时自动释放内存，其操作方式类似于数据结构中的栈。
堆 (Heap):存储动态内存分配,需要程序员手工分配,手工释放.注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。

1.2、代码分析

地址空间图

讲解进程地址空间之前，我们先编写一段C语言程序。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int g_val = 100;
int main()
{
  printf("father is running,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
  pid_t id = fork();
  if(id == 0)
  {
    // child
    int cnt = 0;
    while(1)
    {
      printf("I am child process,pid:%d,ppid:%d,g_val:%d,&g_val:%p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
      sleep(1);
      cnt++;
      if(cnt == 3)
      {
        g_val = 300;
        printf("I am child process,change %d -> %d\n",100,300);
      }
    }
  }
  else
  {
    // father
    while(1)
    {
      printf("I am father process,pid:%d,ppid:%d,g_val:%d,&g_val:%p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
      sleep(1);
    }
  }
  return 0;
}

测试结果

从上面的测试结果我们可以看到发现，父子进程，输出地址是一致的，但是变量内容不一样！能得出如下结论:

变量内容不一样,所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量。
但地址值是一样的，说明，该地址绝对不是物理地址！
在Linux地址下，这种地址叫做 虚拟地址。
我们在用C/C++语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理。

OS必须负责将虚拟地址转化成物理地址。

具体如下图：

上图分析：使用系统调用接口创建新的进程时，fork后的数据代码，父子进程将会同时执行，同时增加新的进程控制块(tast_struct)，父子进程通过刚开始相同的页表指向相同的物理空间，其所使用的进程地址空间对应的位置也是相同的，父子进程指向同一个g_val，因此，父进程和子进程对应的g_val的地址是相同的，但是，当子进程尝试修改g_val变量时，为保证进程的独立性，操作系统识别到当前子进程通过页表找到g_val，想修改g_val，此时，操作系统会重新开辟一段空间，将上述值拷贝下来，修改映射关系，因此使用不同的物理内存地址，互不影响，互相独立。

为什么要写时拷贝呢?写时拷贝的效率会不会很低呢？

通过调整拷贝的时间顺序，达到有效节省空间的效果。

写时拷贝的效率并不会很低，因为如果不写时拷贝，需要将父进程的所以数据拷贝一份，而写时拷贝只需要将需要修改的数据拷贝一份，最坏情况也是跟不写时拷贝的效率一样。

可不可以直接将父进程的数据全部拷贝到新的空间呢？

可以，但是没有必要这么做。

因为子进程是能够访问父进程的数据的，大部分情况下，是不需要进行全部拷贝过来，那样太浪费空间了；我们通常是要进行写入的时候，OS才会要写入的变量复制一份，重新开一个大小一样的空间，在新开的空间内写入数据，再将新空间的地址交给页表。这是按需申请。通过调整拷贝的时间顺序，达到节省空间的目的。

1.3、如何理解地址空间

什么是划分区域？

举个例子，如果需要将桌子划分为两块该如何划分，假设桌子长度为100厘米。我们可以将桌子划分为左边区域和右边区域，左边区域为[1,50]，右边区域为[50,100]。用计算机语言描述则可以通过两个结构体来描述，一个描述区域宽度，一个描述哪个区域。

struct area
{
    int start;
    int end;
}
struct desktop
{
    struct area left;
    struct area right;
}

struct desktop d;
//me
d.left.start=1;
d.left.end=70;
//同桌
d.right.start=70;
d.right.end=100;

源代码

地址空间本质就是内核中的一个结构体对象。

为什么要有地址空间？

1.将无序变成有序，让进程以统一的视角看待物理内存以及自己运行的各个区域。

2.进程管理模块和内存管理模块进行解耦。

3.拦截非法请求---对物理内存的保护。

1.4、进一步理解页表和写时拷贝

页表还有一些其他的作用，1、判断该物理地址是否在内存中(进程挂起情况) 2、识别rwx权限(常量区不能修改值情况)

当操作系统判断出地址不在内存中时还会做进一步判断：

1、是不是数据不在物理内存
2、是不是数据需要写时拷贝
3、如果都不是才能异常处理

写时拷贝

父子进程创建时使用相同的虚拟地址，而进行修改时，经操作系统识别，重新复制一份，并开辟新的空间，经过页表映射的是不同的物理地址，此时修改的是不同的物理地址的数据，其虚拟地址不受影响。

写时拷贝（Copy-on-write，简称COW）是一种计算机程序设计领域的优化策略。其核心思想是，如果有多个调用者（callers）同时请求相同资源（如内存或磁盘上的数据存储），他们会共同获取相同的指针指向相同的资源，直到某个调用者试图修改资源的内容时，系统才会真正复制一份专用副本（private copy）给该调用者，而其他调用者所见到的最初的资源仍然保持不变。这过程对其他的调用者都是透明的。此作法主要的优点是如果调用者没有修改该资源，就不会有副本（private copy）被创建，因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。

1.5、进一步理解虚拟地址

在最开始的时候，进程地址空间和页表里面的数据从哪里来的呢？

是从可执行程序内部来的。程序里面本身就有地址！！！这个地址就是虚拟地址(逻辑地址)。我们的可执行程序里面已经没有变量名和函数名，都变成了地址；

补充：

objdump -S 可执行程序  # 查看反汇编
objdump -S myprocess > test.s # 将反汇编内容重定向到test.s文件

测试结果

结论：

创建一个进程，就会创建一个task_struct，地址空间，页表和物理内存。

2、内核进程调度队列

上图是Linux2.6内核中进程队列的数据结构，之间关系也已经给uu们画出来，方便大家理解。

2.1、一个CPU拥有一个runqueue

如果有多个CPU就要考虑进程个数的负载均衡问题

2.2、优先级

普通优先级：100～139（我们都是普通的优先级，想想nice值的取值范围，可与之对应！）
实时优先级：0～99（不关心）

2.3、活动队列

时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列
nr_active: 总共有多少个运行状态的进程
queue[140]: 一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度,所以，数组下标就是优先级！
从该结构中，选择一个最合适的进程，过程是怎么的呢？
- 1. 从0下表开始遍历queue[140]
- 2. 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列
- 3. 拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成！
- 4. 遍历queue[140]时间复杂度是常数！但还是太低效了！
bitmap[5]:一共140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用5*32个比特位表示队列是否为空，这样，便可以大大提高查找效率！