虚拟地址的生命周期🥰

虚拟地址的生命周期

虚拟地址的生命周期与它所属的进程 (Process) 的生命周期是紧密绑定的。我们可以将其划分为四个主要阶段：

第一阶段：孕育期 (Gestation) — 在编译链接时

• 产生: 严格来说，虚拟地址的“蓝图”在程序被编译和链接成可执行文件（如Windows的.exe或Linux的ELF文件）时就已经被规划好了。编译器将源代码转换为包含相对地址的目标代码，链接器则将多个目标文件和库组合起来，为整个程序创建一个统一的、线性的逻辑地址空间映像。例如，链接器会决定.text段（代码段）从虚拟地址0x08048000开始，.data段（数据段）从另一个地址开始，等等。

• 状态: 在这个阶段，虚拟地址仅仅是文件中的元数据或偏移量。它还没有与任何实际的物理内存产生关联，只是一个存在于磁盘文件中的“规划图”。

第二阶段：诞生期 (Birth) — 在进程创建与加载时

• 产生: 当用户执行一个程序时，操作系统会创建一个新的进程。在这个过程中，虚拟地址空间才真正“活”了过来。操作系统的加载器(Loader)会：

  1. 为新进程创建一个进程控制块(PCB)。

  2. 为该进程创建一套地址映射表（即页目录和页表）。

  3. 解析可执行文件，根据“规划图”在进程的虚拟地址空间中划定区域（如代码区、数据区、BSS区、堆、栈等）。

  4. 将页目录表的基地址装入特定寄存器（如x86的CR3寄存器）。

• 状态: 从此刻起，一个独立的、私有的虚拟地址空间正式诞生。CPU在执行这个进程时，其发出的所有地址都将被视为这个空间内的虚拟地址。

第三阶段：活跃期 (Active Life) — 在进程执行时

• 使用: 这是虚拟地址最活跃的时期。当CPU执行该进程的指令时，它会不断地产生虚拟地址（用于取指令、读写数据）。这些虚拟地址会被CPU中的内存管理单元(MMU) 截获，并通过查询页表将其翻译成物理地址，最终访问物理内存。

• 变化: 这个时期的虚拟地址空间不是一成不变的：

  • 堆的增长: 当程序调用malloc()或new时，操作系统会扩展堆区域，凭空创造出新的可用虚拟地址供程序使用。

  • 栈的增长: 当函数调用发生时，栈会向低地址方向增长，使用新的虚拟地址。

  • 动态库加载: 程序可能会在运行时加载新的动态链接库(DLL/.so)，这也会将新的库映射到虚拟地址空间的某个区域。

  • 内存释放: 当调用free()或delete时，对应的虚拟地址被标记为可用，但其映射关系通常不会立即撤销，可能会被后续的malloc重用。

第四阶段：消亡期 (Disappearance) — 在进程终止时

• 消失: 当一个进程终止时（无论是正常退出还是异常崩溃），操作系统会回收其所有资源。在内存方面，操作系统会：

  1. 遍历该进程的地址映射表。

  2. 释放该进程占用的所有物理内存页框。

  3. 销毁该进程的页目录和所有页表。

• 状态: 一旦一个进程的页表被销毁，其对应的整个虚拟地址空间就彻底不复存在了。原来那些虚拟地址对于CPU和系统来说，重新变回了毫无意义的数字。

虚拟地址的使用范围

理解了生命周期，虚拟地址的使用范围就非常清晰了。

1. 范围的起点：CPU

虚拟地址的“管辖范围”始于中央处理器(CPU)。当一个进程在运行时，CPU内部的程序计数器(PC)存储的是下一条指令的虚拟地址，CPU执行的访存指令（如mov）操作的也都是虚拟地址。

2. 范围的终点：内存管理单元(MMU)

虚拟地址的“生命”终结于内存管理单元(MMU)。MMU是CPU内部的一个硬件模块，它的职责就是接收来自CPU核心的虚拟地址，然后通过查询页表（和高速缓存TLB）将其翻译成物理地址。一旦地址离开了MMU，进入到物理地址总线上，它就变成了物理地址。主存（内存条）、内存控制器等硬件只认识物理地址。

3. 范围的边界：进程

虚拟地址最核心的范围限定就是进程 (Process)。

• 私有性: 每个进程都拥有自己的一套独立的、从0开始的虚拟地址空间。

• 隔离性: 进程A的虚拟地址0x1000和进程B的虚拟地址0x1000是完全不同的两个地址，它们通过各自独立的页表，被映射到不同的物理内存位置。

• 上下文: 一个虚拟地址，如果脱离了它的进程上下文（即不知道它属于哪个进程，不知道该用哪张页表去翻译它），它就是没有意义的。操作系统在进行进程切换时，最关键的一步就是切换CR3寄存器，即更换当前生效的页目录表，从而切换到新进程的虚拟地址空间“宇宙”中。

总结一下范围：虚拟地址是操作系统为单个进程提供的、在CPU内部使用的一种地址抽象，其有效性由该进程的地址映射表所定义，并在MMU处被转换为物理世界的地址。