进程与内存

1、进程如何使用内存

毫无疑问，所有进程（执行的程序）都必须占有一定数量的内存，它或是用来存放从磁盘载入的程序代码，或是存取自用户输入的数据等等。不过进程对这些内存的管理方式因为内存用途不一而不尽相同，有些内存是事先静态分配和统一回收的，而有些却是需要动态分配和回收的。

对于任何一个普通进程来讲，它都会涉及到5种不同的数据段。稍有些编程知识的朋友都能想到这几个数据段中包含有“程序代码段”、“程序数据段”、“程序堆栈段等”。不错，这几个数据段都在其中，但除了以上几种数据段之外，进程还另外包含两种数据段。

代码段：代码段是用来存放可执行文件的操作指令，也就是说它是可执行程序在内存中的镜像。代码段需要防止在运行时被非法修改，所以只允许读取操作，而不允许写入操作–它是不可写的。

数据段：数据段用来存放可执行文件中已初始化全局变量，换句话说就是存放程序静态分配的变量和全局变量。

BSS段：BSS段包含了程序汇总未初始化的全局变量，在内存中bss全部置零。

堆段：堆时用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它的大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）

栈：栈是用户存放程序临时创建的局部变量，也就是说我们函数括弧中定义的变量（但不包括static声明的变量,static意味着在数据段中存放变量）。除此之外，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈中后进先出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲，我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。

2、进程如何组织这些区域？

上述几种内存区域中数据段、BSS和堆通常是被连续存储的–内存位置上是连续的，而代码段和栈往往被独立存放。有趣的是，堆和栈两个区域关系很暧昧，他们一个向下长，一个向上长，但你不必担心他们会碰头，因为他们之间间隔很大。

进入操作系统内核看看，进程对内存具体是如何进行分配和管理的。
从用户向内核看，所使用的内存表象形式会依次经历“逻辑地址”–“线性地址”–“物理地址”几种形式。逻辑地址经段机制转化成线性地址；线性地址经过页机制转化为物理地址。（但是我们要知道Linux虽然保留了段机制，但是将所有程序的段地址都定死为0-4G，所以虽然逻辑地址和线性地址是两种不同的地址空间，但在linux中逻辑地址就等于线性地址）沿着这条线索，我们所研究的主要问题也就集中在下面几个问题。
1、进程地址空间如何管理？
2、进程地址如何映射到物理内存？
3、物理内存如何被管理？

进程内存空间

linux操作系统曹勇虚拟内存管理技术，使得每个进程都有各自互不干涉的进程地址空间。该空间是块大小为4G的线性虚拟空间，用户所看到和接触到的都是该虚拟地址，无法看到实际的物理内存地址。利用这种虚拟地址不但能起到保护操作系统的效果（用户不能直接访问物理内存），而且更重要的是，用户程序可使用比实际物理内存更大的地址空间。

在讨论进程空间细节前，这里先要澄清下面介个问题：

一、4G的进程地址空间被认为的分为两个部分–用户空间与内核空间。用户空间从0到3G（0xC0000000）,内核空间占据3G到4G。用户进程通常情况下只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问内核空间虚拟地址。只有用户进程进行系统调用（代表用户进程在内核态执行）等时刻才可以访问到内核空间。

二、用户空间对应进程，每当进程切换，用户空间就会跟着变化；而内核空间是由内核负责映射，它并不会跟着进程改变，是固定的。内核空间地址有着自己对应的页表（init_mm.pgd），用户进程各有不同的页表。

三、每个进程的用户空间都是完全独立、互不相干的。不信的话，你可以把上面的程序同时运行10次，你会看到10个进程占用的线性地址一模一样。