“ 進(jìn)程、線程有什么區(qū)別？虛擬地址和物理地址有什么區(qū)別？讓我們用一只青蛙的視角，來解讀它們背后的秘密”
進(jìn)程、線程、虛擬地址、物理地址，這些名詞既熟悉也陌生！似乎無論看多少資料，都很難準(zhǔn)確地弄清楚它們之間的差異和存在的意義。今天我們用CPU的視角，再次會會這個老朋友，看看你是否有新的啟發(fā)？
奇怪的內(nèi)存
先寫一個最簡單的程序。這個程序只做兩件事情：定義一個全局變量 a，并賦值為：1；然后打印出 a 的地址和數(shù)值
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int a = 1;
int main()
{
printf("address: %p, value: %dn", &a, a);
sleep(10000000);
}
將上面的代碼，編輯成可執(zhí)行程序：p1；接著，修改一下代碼：給全局變量 a 賦值為：2，再次編譯出可執(zhí)行程序：p2。
好了，兩個程序：p1，p2 都準(zhǔn)備好了，讓我們再以兩個進(jìn)程的形式，運(yùn)行它們：左邊的窗口進(jìn)程，運(yùn)行p1；右邊的窗口進(jìn)程，運(yùn)行p2
發(fā)現(xiàn)問題了嗎？無論是 p1 還是 p2，它們輸出的 a 的地址都是一樣的，但 a 的值卻不一樣！難道同一個內(nèi)存地址里面，既能存放 1，也能存放 2？
當(dāng)然不是，原來0x555555558010是虛擬地址，并不是真實的物理內(nèi)存地址，進(jìn)程p1的0x555555558010，跟進(jìn)程p2的0x555555558010，沒有任何關(guān)系！
虛擬地址，只在進(jìn)程內(nèi)，是有意義的；可以用來指示不同變量，所對應(yīng)的不同內(nèi)存地址；但一旦跳出單一進(jìn)程，在進(jìn)程之間比較虛擬地址，就沒有任何意義了！
MMU
是什么軟件，擁有如此的魔力？能讓進(jìn)程p1和進(jìn)程p2的內(nèi)存空間完全隔離？答案不是軟件，而是硬件 — 現(xiàn)代CPU的協(xié)處理器：MMU
MMU的工作原理，未來我們還會詳細(xì)闡述，這里只說結(jié)論：無論是進(jìn)程p1，還是進(jìn)程p2的，它們的變量 a 的地址都是虛擬地址，看上去是同一個地址，但實際上，已經(jīng)被 MMU 映射到了不同的物理地址上去了。這就是“進(jìn)程”最顯著的特點(diǎn)：空間獨(dú)立性。
舉個例子，進(jìn)程就像一只井底之蛙，它固執(zhí)地認(rèn)為：自己已經(jīng)擁有整個天空；但它永遠(yuǎn)不知道：天空到底有多大。更不知道：周圍還有很多跟它有一樣想法的井底之蛙，而 MMU 就是束縛這些青蛙視野的井，每一口井，就是一個：進(jìn)程空間。
進(jìn)程 vs 線程
那看來全是 MMU 惹的禍，不要 MMU 行嗎？當(dāng)然可以，但一旦沒有井的束縛，所有的青蛙，都跳到地面上，它們都可以看到一個完整的天空，所以，沒有 MMU，進(jìn)程也就不存在了，進(jìn)程被降級成了：線程。
這樣的例子很多，例如：在沒有 MMU 的單片機(jī)。你就只會遇到線程或者叫：task，根本沒有“進(jìn)程”的概念。
在 MMU 出現(xiàn)之前，計算機(jī)的世界里面，只有“線程”，在 MMU 出現(xiàn)之后，“進(jìn)程”才真正落地，因為沒有 MMU，就沒有辦法實現(xiàn)：內(nèi)存空間的隔離，也就根本無法實現(xiàn)“進(jìn)程”要求的：空間獨(dú)立性。
至于“進(jìn)程”中的多“線程”就很容易理解了。就是：一堆青蛙，都放在一個井里。而且，它們都認(rèn)為自己擁有整個天空。
因為，這些“線程”都處于同一個“進(jìn)程”空間中，大家可以相互訪問，完全沒有任何限制。這使得用“線程”實現(xiàn)多任務(wù)編程，會非常便利。
但也因為這種對安全的忽視，一旦任何一個“線程”崩潰
所有的“線程”都不能幸免，大家一榮俱榮，一損俱損！
所以，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器一般都會使用“多進(jìn)程”，而很少使用“多線程”。這樣即使某一個用戶的服務(wù)進(jìn)程崩潰了，其他“進(jìn)程”還能繼續(xù)正常工作。這樣，就不會因為某個用戶的訪問失敗，而導(dǎo)致其他用戶也無法訪問服務(wù)器。
好了，這可能就是你永遠(yuǎn)弄不清楚：“線程”和“進(jìn)程”的原因，因為，這不僅僅是：一個軟件問題，更是一個 MMU 的問題。以后你再跟人討論“線程”、“進(jìn)程”的時候，一定要先問一下：有 MMU 嗎？
總結(jié)
- 進(jìn)程就像一只井底之蛙，雖然看上去，它可以讀/寫整個64位（假設(shè)CPU是64位的）的虛擬內(nèi)存空間：void write_memory()
{char*p = 0;
for(unsigned long offset = 0; offset<= 0xFFFFFFFFFFFFFFFF; offset++)
{*(p + offset) = 0x55;
}} 但天到底有多大，真實的物理內(nèi)存空間到底有多少？除了操作系統(tǒng)和MMU，沒有人能知道。 - 進(jìn)程間的空間隔離，讓進(jìn)程之間的信息共享沒有線程那么方便，但也大大提高了整個系統(tǒng)的安全性；再也不會因為某一個應(yīng)用程序的崩潰，導(dǎo)致計算機(jī)重啟。還記得紅白機(jī)上的reset按鍵嗎？
任何一個游戲程序的崩潰，都需要通過reset來重啟/恢復(fù)系統(tǒng)。
3. 進(jìn)程間的空間隔離，讓惡意程序無法再掃描整其他程序的內(nèi)存或整個物理內(nèi)存，任何程序只能在自己的一畝三分地里面干活。通過游戲修改器，玩《仙劍奇?zhèn)b傳》的日子，不會再有了。
這樣看來：生活在“井”里，也沒有什么不好。
熱點(diǎn)問題
Q1：誰在分配：虛擬地址？
A1：程序員在代碼中編寫的：任何變量、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在編譯過程中，都會被編譯器安排了一個內(nèi)存地址，這個地址就是虛擬地址。
Q2：虛擬內(nèi)存的好處？
A2：好處是：編譯器在生成可執(zhí)行程序時，可以更加自由的分配：代碼中變量的內(nèi)存地址，不用關(guān)心它在實際運(yùn)行環(huán)境中，應(yīng)該是多少？也不用關(guān)心運(yùn)行環(huán)境的內(nèi)存是否夠用。
相同的 exe文件，同時運(yùn)行2次，也不用擔(dān)心它們同名的變量或函數(shù)，會在內(nèi)存中重疊在一起。因為它們都用的是虛擬地址，無論外表多么相似，都可能被分配在不同的“物理地址”上。
此外，當(dāng)程序所需的內(nèi)存大于計算機(jī)的實際內(nèi)存時，虛擬內(nèi)存機(jī)制可以用硬盤來給內(nèi)存“擴(kuò)容”。
Q3：我電腦的內(nèi)存有8GB，那跑在該電腦上的程序，其虛擬地址空間，也只能有8GB嗎？
A3：虛擬地址的空間大小，取決于CPU的位數(shù)，32位CPU對應(yīng)的虛擬地址空間為：0~0xFFFFFFFF（4GB），64位CPU對應(yīng)的虛擬地址空間為：0~0xFFFFFFFFFFFFFFFF（16384PB），它們跟真實的物理內(nèi)存大小，沒有關(guān)系。
Q4：為什么我執(zhí)行實例代碼的時候，輸出的 a 的內(nèi)存地址總是在變化？
A4：新版本的linux對虛擬內(nèi)存進(jìn)行了保護(hù)，作了隨機(jī)化處理，為了達(dá)到文章所述的效果，需要取消這種隨機(jī)化處理。請在運(yùn)行程序之前，在命令行中輸入如下命令：
echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space
