加载地址对于Linux中的所有C程序是否通用？

Question

假设我有一个prog1.c，它被构建为prog1.out。在prog1.out中，有一个链接程序信息，该信息将告诉您将elf加载到的位置。这些地址将是一个虚拟地址。加载程序将查找这些信息，并将其作为过程启动。如链接器中所述，像DS，BSS这样的每个部分都将被加载到虚拟地址上。例如，我的prog2.out也具有相同的加载程序地址，BSS，DS等，那么它将发生冲突吗？我知道这不会冲突，但是会出现性能问题。由于两个进程具有相同的虚拟地址，但它们映射到不同的物理地址？我很困惑，它如何保护具有相同虚拟地址的两个进程。

Answer 1

事实是，当进程使用内存地址时，它是在谈论虚拟地址，该地址可能与同一物理地址不同。这意味着两个进程可以引用相同的地址，并且不会混合它们的数据，因为它将位于两个不同的物理位置。

下面我描述如何在典型计算机上将虚拟地址转换为物理地址（这在其他体系结构上有所不同，但这是相同的想法）

了解Intel x86体系结构（3级分页）上的内存转换过程

所以，一方面，您有一个虚拟内存地址，并且想要获取一个物理内存地址（即：RAM上的实际地址），工作流程主要是这样的：

虚拟地址-> [分段单元]-> [寻呼单元]->物理地址

每个操作系统都可以定义分段单元和分页的工作方式。例如，Linux使用Flat Segmentation Model，这意味着它将被忽略，因此我们现在将执行同样的操作。

现在，我们的虚拟地址经过称为分页单元的地址，并以某种方式转换为物理地址。这是这样。

内存被分成一定大小的块，在Intel上，此大小可能是4KB或4MB。

每个进程在内存中定义了一组表，因此计算机知道如何转换内存地址。这些表是以分层方式组织的，实际上，要访问的内存地址在这些表的索引中被分解。

我知道，这听起来令人困惑，但请多多讲几句。您可以按照以下图片来写我的文章：

有一个称为CR3的内部CPU寄存器，用于存储第一个表的基地址（我们将这个表称为页面目录，每个表项都称为页面目录项）。当进程正在执行时，其CR3会被加载（以及其他功能）。

所以，现在您要访问内存地址0x00C30404，

分页单元说：“好吧，让我们获取页面目录的基础”，查看CR3寄存器，知道页面目录的基础在哪里，我们将此地址称为PDB（页面目录基础）。

现在，您想知道应该使用哪个目录条目。如前所述，该地址被分解为一堆索引。最重要的10位（第22位通过31位）对应于页面目录的索引。在这种情况下，0x00C30404为0000 0000 1100 0011 0000 0100 0000 0100二进制，其最高有效10位为：0000 0000 11是0x3。这意味着我们要查找第三页目录条目。

¿我们现在要做什么？

请记住，这些表是分层的：每个Page Directory Entry都具有下一个表的地址，该地址称为Page Table。 （此表对于每个页面目录条目可能不同。）>

所以现在，我们得到了另一个表。地址的后10位将告诉我们我们将访问该表的哪个索引（我们将其称为页面表条目）。

00 0011 0000

是接下来的10位，它们是数字：0x30。这意味着我们必须访问第30个Page Table Entry ..

最后，此页表条目

保留所需的PAGE FRAME的偏移量（请记住，内存分为4k块）。最后，我们地址的最低有效12位是该PAGE FRAME的内存偏移量，请注意PAGE FRAME是实际的物理内存地址。

这被称为3级分页，在64位（或使用PAE）上，这非常相似，但是还有另一级分页。

您可能会认为，获取所有这些内存访问只是为了获取变量是一个真正的遗憾。确实如此。计算机中有一些机制可以避免所有这些步骤，其中一个就是TLB（表后备缓冲区），它存储所有已完成转换的缓存，因此可以轻松获取内存。

此外，这些结构的每个条目都有一些有关权限的属性，例如“此页面可写吗？” “此页面可执行吗？”

因此，既然您了解了内存分页的工作原理，就很容易理解Linux如何处理内存：

• 每个进程都有其自己的CR3，并且在计划运行该进程时，会加载cr3寄存器。
• 每个进程都有其自己的虚拟空间（表可能不完整，一个进程可以仅以4kb的单个页面开头）。
• 每个进程都映射了其他页面（操作系统内存），因此，当它被中断时，中断处理程序将在同一任务上启动并处理该任务中的中断，并执行所需的代码。

这种方案的一些动机

• 您不必同时拥有所有进程的内存，您可以将它们存储在磁盘中。

• 您可以安全地隔离每个进程的内存，并为其分配一些权限。
• 一个进程可能使用10MB的ram，但是不需要它们在物理内存中是连续的。

每个进程“认为”它在计算机上单独运行，并且仅知道其虚拟地址。然后，内存管理单元（MMU）将虚拟地址转换为物理地址。 MMU当然必须确保两个虚拟地址没有映射到相同的物理地址。映射速度非常快，因为CPU（大多数时候）对MMU具有专用的硬件支持。

MMU还必须弄清楚要从何处准确获取数据，例如主内存（可能是典型的情况），一级缓存，二级缓存，磁盘中的交换文件等。正如我所说，该进程本身就没有意识到，它“认为”它可以在一个平面内存文件上工作，并且不必担心任何碰撞。

（在普通机器中，虚拟地址和物理地址之间没有关系。映射总是发生-这首先是虚拟地址的一部分。

“性能问题”一直存在-甚至始终隐藏在硬件内部。是否存在实际冲突（这些地址是否为物理地址）。

如何保护具有相同虚拟地址的两个进程。

您不需要，也不需要。每个进程的内存内容彼此独立，这是操作系统和硬件的工作来确保这一点。您可以将术语“虚拟内存”视为“特定于进程的自身内存”。

请注意，所有这些讨论实际上与目标代码或链接/加载过程的内容没有多大关系，您可以在运行时引用任何地址，而链接器/加载器不需要知道它。

Answer 2

每个进程“认为”它在计算机上单独运行，并且仅知道其虚拟地址。然后，内存管理单元（MMU）将虚拟地址转换为物理地址。 MMU当然必须确保两个虚拟地址没有映射到相同的物理地址。映射速度非常快，因为CPU（大多数时候）对MMU具有专用的硬件支持。

Answer 3

（在普通机器中，虚拟地址和物理地址之间没有关系。映射总是发生-这首先是虚拟地址的一部分。