进程地址空间 页表
解释虚拟地址和写实拷贝的数据解耦问题
结构
- 对于每个进程的内核PCB结构来说，其中都存储了
进程地址空间结构的地址。
什么叫进程地址空间？
进程地址空间，本质上是一个描述进程可用地址范围的大小。
进程地址空间存储着进程运行时所需要的数据的虚拟地址。经过页表映射才能访问到物理地址。
进程地址空间的作用
- 避免将所有数据直接记录到物理内存中，方便管理，让我们以统一结构的视角看待内存，即在虚拟内存中各个空间对应的地址有序固定，而实际映射的物理内存的位置并不固定。
进程地址空间的区域划分（mm_struct）
如上图所示，地址空间中存在各种各样的区域。我们通过记录每个区域的起始地址和结束地址，就可以将各个区域划分开来。
如果超过了规定的值，就称为越界。
页表
k-V
| 虚拟地址 | 物理地址 | 标志位 | 代码或者数据是否已经载入到内存 |
|---|---|---|---|
| 0x123 | 0x321 | rw | 1 |
- rw：可读可写
- 1：已经被加载
例如:
CPU中，存在一个
cr3寄存器（类似的还有cr2），存储着当前进程的页目录（物理地址），并且在进程切换的时候，页表的地址也会被现场保护。根据记录的虚拟地址找到物理地址。
页表的作用
权限管理——利用页表记录的标志位，可以检查内存操作是否违规。
例如：如果有一个变量位于常量区，那么它的标志位为r(只读)，如果尝试w(写入)的时候，就会被阻拦。拦截越界如果在转换过程中内存出现了异常访问，直接进行拦截。从而这个请求不会抵达物理内存，从而保护物理内存。
页表的存储方式
假设现有一个地址 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001，在32位的x86架构下，这个地址会被分为三段：
- 10位：对应一级页表（页目录）中的页目录表项（PDE）。
- 10位：对应二级页表（页表）中的页表项（PTE）。
- 12位：对应页框内的偏移量。
分段详细解释
- 页目录表项（PDE）：一级页表的10位用于索引页目录表项。页目录表项指向一个页表。
- 页表项（PTE）：二级页表的10位用于索引页表项。页表项指向一个物理页框。
- 页框内的偏移量：最后的12位用于指定页框内的偏移量。一个页框的大小为4KB（2^12字节）。
页表的大小
一个进程中的页表大小的计算如下：
- 每个页目录（一级页表）包含1024个页目录表项，每个页目录表项指向一个页表。
- 每个页表（二级页表）包含1024个页表项，每个页表项指向一个物理页框。
由于每个页目录表项和页表项通常占用4字节：
- 一个页目录的大小：1024 * 4 = 4096字节 = 4KB。
- 一个页表的大小：1024 * 4 = 4096字节 = 4KB。
一个进程中的页表总大小：
- 页目录的大小 + 页表的大小总和。
- 在最坏情况下，假设每个页目录表项都指向一个页表，总共1024个页表，那么总大小为：
- 页目录：4KB
- 1024个页表：1024 * 4KB = 4MB
父子进程
- 子进程在创建时，也会基于父进程创建属于自己的页表和进程地址空间。
写实拷贝–操作系统自动完成的
当子程序有对数据进行修改，并且通过页表访问到的物理地址和父进程的地址是同一个的时候。
就调整子进程的页表，将重新分配一块区域并记录到子程序的页表中。
（注意，这里没有修改虚拟地址，所以父子进程的虚拟地址还可能相同）
惰性加载
运行一个程序时，并不会将它对应磁盘的数据都加入到内存中，而时分批加载。
并且，如果短期内不会使用的数据，并不会被加载到内存 —— 惰性加载。页表中会进行记录。
因此，我们在创建一个进程的时候，先创建内核数据结构，再加载对应的可执行程序。
总结：
进程地址空间和页表，实现了进程管理模块和内存管理模块的解耦。