地址空间
复习
- 读者与写者：并发读取时如何协调写入与公平性
- 死锁是怎样形成的：四个必要条件与环形等待
- 怎样处理死锁：预防、避免、检测和恢复的取舍
TL;DR
- 每个进程都以为自己独占一整片连续内存
- 这个“以为”的地址范围，叫地址空间（address space）
- 程序里用的地址是虚拟地址，不等于真实的物理地址
- 有了地址空间，进程之间才能互不打扰，也便于统一布局
正文
先回忆一下前面讲过的：一个程序在内存里，分成代码区、数据区、栈和堆。可这是“一个程序独霸内存”时的样子。现在系统里同时跑着几十上百个进程，它们又是怎么共用一块内存的？
一个美好的错觉
每个进程运行时，都觉得自己拥有一整片内存：从低地址的代码开始，一直到高地址的栈，中间是自己的数据和堆，连续、干净、没人打扰。
可现实是：物理内存只有一根，大家必须挤在一起。那个“独占一整片连续内存”的感觉，只是操作系统给每个进程制造的错觉。
这个“错觉”里的地址范围，就叫进程的地址空间（address space）。
虚拟地址与物理地址
错觉要成立，就得区分两套地址：
- 虚拟地址：程序里用的地址，是它自己在地址空间里的编号
- 物理地址：内存条上真实的地址
程序里每一条指令、每一个变量，用的都是虚拟地址。而真正落到内存条上的，是物理地址。两套地址的换算，由硬件和操作系统在背后完成——这个换算过程，后面几章会专门讲。
进程 A 的地址空间 物理内存 进程 B 的地址空间
虚拟 0x1000 ──┐
├──> 物理 0x4000
虚拟 0x1000 ──┘
注意上图：A 和 B 可以拥有相同的虚拟地址，却对应不同的物理地址。互不干扰，正是靠这一点。
为什么要这样做
给每个进程一个独立的地址空间，好处很多：
- 隔离：A 只能访问自己的地址空间，碰不到 B 的数据，也碰不到内核
- 方便：程序不用管自己实际被装在哪、旁边还住了谁，只管按自己的布局写
- 灵活：物理内存不够时，还能把暂时用不到的页挪到磁盘上（后面会讲）
又是一层抽象：把“有限的、共享的物理内存”，包装成“每个进程都独占一片连续空间”。
引出的问题
可既然程序用的是虚拟地址，那“虚拟地址到底怎么变成物理地址”？这中间要解决两件事：程序在内存里究竟被放在哪，以及怎样拦住越界访问。下一章，我们从最朴素的办法看起。
思考题
两个进程里有相同的虚拟地址，却指向不同的物理内存。这样做，对一个“指针写错、越界访问”的程序，是好事还是坏事？
小结
知识点
- 每个进程以为自己独占一片连续内存，这叫地址空间
- 程序使用虚拟地址，实际访问物理地址
- 虚拟地址与物理地址的换算由硬件和内核完成
- 地址空间带来隔离、方便与灵活
参考资料
- Wikipedia(zh)：地址空间：address space
- Wikipedia(zh)：虚拟内存：虚拟内存
思考题答案（仅供参考）
是好事。正因为每个进程有独立的地址空间，一个程序即使指针写错、越界访问，它也只能在自己那片空间里乱撞，撞不到别的进程，更撞不到内核；最坏的结果是它自己崩溃。如果没有这层隔离，越界就可能改坏别人的数据，甚至拖垮整个系统。所以地址空间不仅提供了方便，更是一道安全边界。
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设计师 | 南国微雪