進程與線程的空間問題
時間：2014-11-29 來源：未知
這兩天有同學問到進程線程的地址空間的問題，提到在linux下每個進程單獨占有4G的虛擬地址空間，而這個進程下的所有線程共享著它的地址空間。這只是一個概念上的理解，具體是怎么回事呢？
在說這個問題之前我們先說一下早期的內(nèi)存管理機制。在早期的計算機中，程序都是直接運行在內(nèi)存上的，也就是說程序中訪問的內(nèi)存地址都是實際的物理內(nèi)存地址。當計算機同時運行多個程序時，必須保證這些程序用到的內(nèi)存總量要小于計算機實際物理內(nèi)存的大小。那當程序同時運行多個程序時，操作系統(tǒng)順次向下分配物理內(nèi)存地址例如一臺計算機的內(nèi)存大小是128M，現(xiàn)在同時運行程序A和B，A需占用內(nèi)存30M，B需占用內(nèi)存60M。計算機在給程序分配內(nèi)存時先將內(nèi)存中的前30M分配給程序A，接著再從內(nèi)存中剩余的98M中劃分出60M分配給程序B。這種分配方法可以保證程序A和程序B都能運行，但是這種簡單的內(nèi)存分配策略問題很多。首先進程地址空間不隔離。由于程序都是直接訪問物理內(nèi)存，惡意程序可以很容統(tǒng)修改別的進程的內(nèi)存數(shù)據(jù)，以達到破壞的目的。即使是非惡意的，但是有bug的程序也可能不小心修改了其它程序的內(nèi)存數(shù)據(jù)，就會導致其它程序的運行出現(xiàn)異常。其中一個任務失敗了，可能也會影響其它的任務。其次是程序運行的地址不確定。當內(nèi)存中的剩余空間可以滿足程序C的要求后，操作系統(tǒng)會在剩余空間中隨機分配一段連續(xù)的20M大小的空間給程序C使用，因為是隨機分配的，所以程序運行的地址是不確定的。內(nèi)存使用效率低。在A和B都運行的情況下，如果用戶又運行了程序C，而程序C需要20M大小的內(nèi)存才能運行，而此時系統(tǒng)只剩下8M的空間可供使用，所以此時系統(tǒng)必須在已運行的程序中選擇一個將該程序的數(shù)據(jù)暫時拷貝到硬盤上，釋放出部分空間來供程序C使用，然后再將程序C的數(shù)據(jù)全部裝入內(nèi)存中運行。可以想象得到，在這個過程中，有大量的數(shù)據(jù)在裝入裝出，導致效率十分低下。
為了解決上述問題，人們設計了間接的地址訪問方法訪問物理內(nèi)存。按照這種方法，程序中訪問的內(nèi)存地址不再是實際的物理內(nèi)存地址，而是一個虛擬地址，然后由操作系統(tǒng)將這個虛擬地址映射到適當?shù)奈锢韮?nèi)存地址上。這樣，只要操作系統(tǒng)處理好虛擬地址到物理內(nèi)存地址的映射，就可以保證不同的程序終訪問的內(nèi)存地址位于不同的區(qū)域，彼此沒有重疊，就可以達到內(nèi)存地址空間隔離的效果。
當創(chuàng)建一個進程時，操作系統(tǒng)會為該進程分配一個4GB大小的虛擬進程地址空間。之所以是4GB，是因為在32位的操作系統(tǒng)中，一個指針長度是4字節(jié)（64位系統(tǒng)是8字節(jié)，由cpu的尋址位數(shù)決定），而4字節(jié)指針的尋址能力是從0x00000000~0xFFFFFFFF，大值0xFFFFFFFF表示的即為4GB大小的容量。與虛擬地址空間相對的，還有一個物理地址空間，這個地址空間對應的是真實的物理內(nèi)存。如果你的計算機上安裝了1G大小的內(nèi)存，那么這個物理地址空間表示的范圍是0x00000000~0x3FFFFFFF。當操作系統(tǒng)做虛擬地址到物理地址映射時，只能映射到這一范圍。當進程創(chuàng)建時，每個進程都會有一個自己的4GB虛擬地址空間。要注意的是這個4GB的地址空間是"虛擬"的，并不是真實存在的，而且每個進程只能訪問自己虛擬地址空間中的數(shù)據(jù)，無法訪問別的進程中的數(shù)據(jù)，通過這種方法實現(xiàn)了進程間的地址隔離。實際上也是增加了地址空間，在這4G中還分為用戶空間和系統(tǒng)空間，用戶態(tài)時候進程只能訪問用戶空間（內(nèi)核態(tài)時候既可以訪問用戶空間也可以訪問系統(tǒng)空間）。這只是解決了地址問題，實際進程的運行還是要在真實的內(nèi)存上，所以，必須在虛擬地址與物理地址間建立一種映射關(guān)系。這樣，通過映射機制，當程序訪問虛擬地址空間上的某個地址值時，就相當于訪問了物理地址空間中的另一個值。人們采用分段(Sagmentation)的方法，它的思想是在虛擬地址空間和物理地址空間之間做一一映射。比如說虛擬地址空間中某個10M大小的空間映射到物理地址空間中某個10M大小的空間。這種思想理解起來并不難，操作系統(tǒng)保證不同進程的地址空間被映射到物理地址空間中不同的區(qū)域上，這樣每個進程終訪問到的物理地址空間都是彼此分開的。通過這種方式，就實現(xiàn)了進程間的地址隔離。在做開發(fā)時，開發(fā)人員只需訪問這段虛擬區(qū)間上的地址即可。應用程序并不關(guān)心進程的這段地址究竟被映射到物理內(nèi)存的那塊區(qū)域上了，所以程序的運行地址也就是相當于說是確定的了。
但是這種分段的映射方法并沒有解決內(nèi)存的使用效率問題。在分段的映射方法中，每次換入換出內(nèi)存的都是整個程序，這樣會造成大量的磁盤訪問操作，導致效率低下。基于這種情況，人們想到了內(nèi)存分割和映射方法，這種方法就是分頁(Paging)。
分頁的基本方法是，將地址空間分成許多的頁。每頁的大小由CPU決定，然后由操作系統(tǒng)選擇頁的大小。目前Inter系列的CPU支持4KB或4MB的頁大小，而PC上目前都選擇使用4KB。按這種選擇，4GB虛擬地址空間共可以分成1048576個頁，512M的物理內(nèi)存可以分為131072個頁。顯然虛擬空間的頁數(shù)要比物理空間的頁數(shù)多得多。 在分段的方法中，每次程序運行時總是把程序全部裝入內(nèi)存，而分頁的方法則有所不同。分頁的思想是程序運行時用到哪頁就為哪頁分配內(nèi)存，沒用到的頁暫時保留在硬盤上。當用到這些頁時再在物理地址空間中為這些頁分配內(nèi)存，然后建立虛擬地址空間中的頁和剛分配的物理內(nèi)存頁間的映射。用這樣的方法程序可以使用一系列虛擬地址來訪問大于可用物理內(nèi)存的內(nèi)存緩沖區(qū)。當物理內(nèi)存的供應量變小時，內(nèi)存管理器會將物理內(nèi)存頁（通常大小為 4 KB）保存到磁盤文件。數(shù)據(jù)或代碼頁會根據(jù)需要在物理內(nèi)存與磁盤之間移動。這具體和系統(tǒng)對內(nèi)存的管理和對進程的調(diào)度有關(guān)。
