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虚拟地址空间
对于操作系统而言#xff0c;每个进程所得到的虚拟地址都在一个独立的固定的范围内#xff0c;不会超过这个范围#xff0c;我们把这个范围称为虚拟地址空间。所谓的虚拟地址空间本质就是一个地址范围#xff0c;表示程序的寻址能力。对于32位系统…虚拟地址
虚拟地址空间
对于操作系统而言每个进程所得到的虚拟地址都在一个独立的固定的范围内不会超过这个范围我们把这个范围称为虚拟地址空间。所谓的虚拟地址空间本质就是一个地址范围表示程序的寻址能力。对于32位系统而言虚拟地址空间从0x00000000~0xFFFFFFFF也就是4G 0 ~ 3G-1是归用户所使用称为用户地址空间3G ~ 4G-1是归内核使用称为内核地址空间 对于64位系统而言因为应用程序没有那么大的内存需求所以不支持完全的64位虚拟地址 0x0000 0000 0000 0000 ~ 0x0000 FFFF FFFF FFFF是用户地址空间0xFFFF 0000 0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF FFFF FFFF是内核地址空间内核地址空间和用户地址空间直接是不规范地址空间不允许使用强制使用会出现段错误用户地址空间的代码不能直接访问内核空间的代码和数据但可以通过系统调用进入内核态间接与系统内核交互
以下是一个32位系统存储数据的示例图 从上图中可以看到每个进程都有自己独立的虚拟地址池它们之间相互隔离不会相互干扰或冲突当给内核操作的虚拟地址没有在映射关系表中找到对应关系时就会出现段错误。
虚拟地址空间布局
程序中不同性质的数据加载到内存中其虚拟地址会被映射到虚拟地址空间中不同区域 代码如下
// 虚拟地址空间布局
#include stdio.h
#include stdlib.hconst int const_global 1; // 常全局变量
int init_global 2; // 初始化全局变量
int uninit_global; // 未初始化全局变量int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
{static const int const_static 3; // 常静态变量static int init_static 4; // 初始化静态变量static int uninit_static; // 未初始化静态变量const int const_local 5; // 常局部变量int local; // 局部变量char *string hello; // 字面值常量int *heap malloc(sizeof(int)); // 堆变量printf(----------参数和环境----------\n);printf( 命令行参数: %p\n, argv);printf( 环境变量: %p\n, envp);printf(------------栈区-------------\n);printf( 常局部变量: %p\n, const_local);printf( 局部变量: %p\n, local);printf(------------堆区-------------\n);printf( 堆变量: %p\n, heap);printf(------------BSS区-------------\n);printf( 未初始化全局变量: %p\n, uninit_global);printf( 未初始化静态变量: %p\n, uninit_static);printf(------------数据区-------------\n);printf( 初始化全局变量: %p\n, init_global);printf( 初始化静态变量: %p\n, init_static);printf(------------代码区-------------\n);printf( 常全局变量: %p\n, const_global);printf( 常静态变量: %p\n, const_static);printf( 字面值常量: %p\n, string);printf( 函数: %p\n, main);printf(-------------------------------\n);return 0;
}内存映射的建立与解除
没有与物理地址建立映射关系的虚拟地址无法直接使用如果强行使用被报段错误我们可以通过系统调用mmap函数手动建立虚拟地址和物理地址之间的映射关系。补充基本上所有的头文件都是放在这个路径下的/usr/include下面那个函数需要引入mman.h这个头文件#include sys/mman.hmmap函数 void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset); 功能建立虚拟内存到物理内存或磁盘文件的映射参数 start映射区虚拟内存的起始地址NULL系统自动选定后返回。length映射区字节数自动按页圆整4k为一页。prot映射区操作权限可取以下值多选使用|隔开 PROT_READ映射区可读PROT_WRITE映射区可写PROT_EXEC映射区可执行PROT_NONE映射区不可访问 flags映射标志可取以下值多选使用|隔开 MAP_ANONYMOUS匿名映射将虚拟内存映射到物理内存中而非文件使用这个就可以忽略df和offset参数将这两个参数设为0即可MAP_PRIVATE对映射区的写操作只反映到缓冲区并不会真正写入文件与MAP_SHARED二选一不能同时存在MAP_SHARED对映射区的写操作直接反映到文件中MAP_DENYWRITE拒绝其他对文件的写操作MAP_FIXED若在start上无法创建映射则失败无此标志系统会自动调整 fd文件描述符flags使用MAP_ANONYMOUS时这里填0即可offset文件偏移量自动按页(4K)对齐flags使用MAP_ANONYMOUS时这里填0即可 返回值成功返回映射区虚拟地址的起始地址失败返回MAP_FAILED(-1) munmap函数 int munmap(void *start, size_t length); 功能解除虚拟内存到物理内存或磁盘文件的映射参数 start映射区虚拟内存的起始地址length映射区字节数自动按页圆整4k为一页 返回值成功返回0失败返回-1munmap允许对映射区的一部分映射但必须按页处理
使用示例
#include stdio.h
#include string.h
#include sys/mman.hint main(void)
{// 1. 建立映射: 返回值是void*类型这里使用的是char*内部会自动强转的char *start mmap(NULL, 8192, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, 0, 0);if(start MAP_FAILED){perror(mmap);return -1;}// 2. 写入数据strcpy(start, 哈哈);printf(输出: %s\n, start);// 3. 解除一部分映射if(munmap(start, 4096) -1){perror(munmap);return -1;}// strcpy(start, 呵呵); // 这里测试使用了已经解除的虚拟地址出现了 段错误 (核心已转储)// 4. 在剩下的那一部分中写入数据start 4096; // 首先先将start往上移strcpy(start, 嘿嘿);printf(输出: %s\n, start);// 5. 解除if(munmap(start, 4096) -1){perror(munmap);return -1;}return 0;
}
