Linux第七章：虚拟地址空间详解

本文深入解析Linux操作系统中的虚拟地址空间，旨在帮助读者理解其概念、作用以及实现原理。文章首先通过C/C++代码示例，对比了程序中不同类型数据在内存中的存储区域，并引出虚拟地址的概念。接着，通过fork()创建子进程的实验，揭示了虚拟地址与物理地址的区别，阐述了页表映射机制在进程隔离中的重要作用。进一步，文章剖析了虚拟地址空间的本质——`mm_struct`数据结构，以及VMA的管理方式。最后，文章总结了引入虚拟地址空间的四大关键优势：进程隔离和安全性、简化程序设计、解耦合以及支持虚拟内存和更大地址空间，为理解Linux内存管理奠定基础。

之前在我们学习C语言和C++时我们知道，在我们的程序中不同类型的数据存储在不同的内存区域中，如下图所示（以32位平台为例）：

QQ20250520-194119

我们再次来认识一下每个区域的名称以及保存什么类型的数据：

区域

与上图对应

存放内容类型

特点说明

内核空间

内核空间

内核代码、内核数据结构、驱动、系统调用接口等

用户态不可访问，系统保护区

栈（Stack）

栈

函数调用栈帧、局部变量、函数参数、返回地址等

向下增长，自动分配和释放

共享库区域

共享区

动态链接库（如libc.so）

映射方式加载，可供多个进程共享

堆（Heap）

堆

动态分配的变量（如：malloc、new）

向上增长，由程序员控制释放

BSS段

未初始化数据

未初始化的全局变量和静态变量（默认为0）

加载时系统自动清零

数据段（Data）

初始化数据

已初始化的全局变量和静态变量

来自程序的数据部分

代码段（Text）

正文代码

可执行指令（函数体、主函数、库函数）

权限通常为只读，防止被修改

光看显然是不够的，下面让我们用代码进行验证，看看这些是不是结论是不是正确的：

QQ20250521-2304384. 为什么存在虚拟地址空间4.1 进程隔离和安全性
在早期的计算机中，要运⾏⼀个程序，会把这些程序全都装⼊内存，程序都是直接运⾏在内存上的，也就是说程序中访问的内存地址都是实际的物理内存地址。当计算机同时运⾏多个程序时，必须保证这些程序⽤到的内存总量要⼩于计算机实际物理内存的⼤⼩。
那当程序同时运⾏多个程序时，操作系统是如何为这些程序分配内存的呢？例如某台计算机总的内存⼤⼩是128M，现在同时运⾏两个程序A和B，A需占⽤内存10M，B需占⽤内存110。计算机在给程序分配内存时会采取这样的⽅法：先将内存中的前10M分配给程序A，接着再从内存中剩余的118M中划分出110M分配给程序B。
这种分配⽅法可以保证程序A和程序B都能运⾏，但是这种简单的内存分配策略问题很多：
**安全⻛险：**每个进程都可以访问任意的内存空间，这也就意味着任意⼀个进程都能够去读写系统相关内存区域，如果是⼀个⽊⻢病毒，那么他就能随意的修改内存空间，让设备直接瘫痪。**地址不确定：**众所周知，编译完成后的程序是存放在硬盘上的，当运⾏的时候，需要将程序搬到内存当中去运⾏，如果直接使⽤物理地址的话，我们⽆法确定内存现在使⽤到哪⾥了，也就是说拷⻉的实际内存地址每⼀次运⾏都是不确定的，⽐如：第⼀次执⾏a.out时候，内存当中⼀个进程都没有运⾏，所以搬移到内存地址是0x00000000，但是第⼆次的时候，内存已经有10个进程在运⾏了，那执⾏a.out的时候，内存地址就不⼀定了**效率低下：**如果直接使⽤物理内存的话，⼀个进程就是作为⼀个整体（内存块）操作的，如果出现物理内存不够⽤的时候，我们⼀般的办法是将不常⽤的进程拷⻉到磁盘的交换分区中，好腾出内存，但是如果是物理地址的话，就需要将整个进程⼀起拷⾛，这样，在内存和磁盘之间拷⻉时间太⻓，效率较低。
当有了虚拟地址空间和分页机制就能解决这些问题：
地址空间和⻚表是OS创建并维护的，也就意味着，凡是想使⽤地址空间和⻚表进⾏映射，也⼀定要在OS的监管之下来进⾏访问。这样就保护了物理内存中的所有的合法数据，包括各个进程以及内核的相关有效数据。
举一个很简单的例子：为什么当我们在程序中对一个常量字符串进行更改时程序会崩溃？最根本的原因就是当我们在查找页表时，页表对于这一部分地址的数据的权限是只读，所以我们的操作就是不合法操作，程序自然就会崩溃。
4.2 简化程序设计
我们要知道，一个程序的代码和数据加载到物理内存上是无序的，也就是说对于一部分数据哪里有位置就加载到哪，也就是说一个程序加载到物理内存上时它的代码和数据的位置都是随机的，这很不方便我们进行管理，有了虚拟地址空间，我们不仅可以将这些在物理上无序的地址变得看似有序。因此程序员在写程序时不必考虑系统中已有进程的内存分配情况。
所有程序都认为内存从地址 0x00000000 开始，逻辑简单。不需要关心其他程序的存在或物理内存的布局。
因为⻚表的映射的存在，程序在物理内存中理论上就可以任意位置加载。它可以将地址空间上的虚拟地址和物理地址进⾏映射，在进程视⻆所有的内存分布都可以是有序的。
4.3 解耦合
因为有虚拟地址空间的存在和⻚表的映射的存在，我们的物理内存中可以对未来的数据进⾏任意位置的加载！物理内存的分配和进程的管理就可以做到没有关系，进程管理模块和内存管理模块就完成了解耦合。
4.4 支持虚拟内存和更大地址空间
在没有虚拟地址空间的情况下，进程只能访问直接映射到物理内存的地址，也就是说，进程需要直接管理和访问实际的物理内存。每个进程的虚拟地址空间是由操作系统抽象出来的，它在进程和物理内存之间提供了一层“虚拟化”。
每个进程都有自己的虚拟地址空间，操作系统可以在虚拟地址空间中分配更多的内存区域，而不受物理内存的限制。程序可以使用比实际物理内存更大的内存空间。通过页面置换等机制，把不常用数据临时换到磁盘，而不是一直占用物理内存。支持大程序运行在小物理内存的机器上。
比如你物理内存只有 8GB，但程序可以运行 16GB 的数据。
对于虚拟地址空间还有更多的知识，本章我们进行初步的认识和了解。更多的我们将在后面随着学习的深入再慢慢了解。
尾声
终于介绍完啦！小伙伴们，这篇关于《Linux第七章：虚拟地址空间详解》的介绍应该让你收获多多了吧！欢迎大家收藏或分享给更多需要学习的朋友吧~golang学习网公众号也会发布文章相关知识，快来关注吧！