为什么父/子进程中的对象具有相同的地址？

Question

我对以下代码有两个问题：

守则：

#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
#include <iostream>

int main(int argc, char **argv)
{
    sem_t sem;
    int var = 0;

    /* create, initialize semaphore */
    if( sem_init(&sem,1,1) < 0)
    {
        perror("semaphore initilization");
        exit(0);
    }

    int pid = fork();
    static const size_t loopLen = 5;
    if (0 == pid)
    { /* child process */
        for (size_t i = 0; i < loopLen; ++i)
        {
            sem_wait(&sem);
            std::string str("Child");
            std::cout << str << " process: &var(" << (void*)(&var) << ") var(" << var++ << ") &sem(" << (void*)(&sem) << ")" << std::endl;
            sem_post(&sem);
        }
    }
    else
    { /* parent process */
        for (size_t i = 0; i < loopLen; ++i)
        {
            sem_wait(&sem);
            std::string str("Parent");
            std::cout << str << " process: &var(" << (void*)(&var) << ") var(" << var++ << ") &sem(" << (void*)(&sem) << ")" << std::endl;
            sem_post(&sem);
        }
    }
}

输出：

Parent process: &var(0xffffcbdc) var(0) &sem(0xffffcbe0)
Child process: &var(0xffffcbdc) var(0) &sem(0xffffcbe0)
Parent process: &var(0xffffcbdc) var(1) &sem(0xffffcbe0)
Child process: &var(0xffffcbdc) var(1) &sem(0xffffcbe0)
Parent process: &var(0xffffcbdc) var(2) &sem(0xffffcbe0)
Child process: &var(0xffffcbdc) var(2) &sem(0xffffcbe0)
Parent process: &var(0xffffcbdc) var(3) &sem(0xffffcbe0)
Child process: &var(0xffffcbdc) var(3) &sem(0xffffcbe0)
Parent process: &var(0xffffcbdc) var(4) &sem(0xffffcbe0)
Child process: &var(0xffffcbdc) var(4) &sem(0xffffcbe0)

问题：

为什么父进程和子进程打印时var和sem的地址是一样的？我知道子进程获得父内存空间内容的副本，但我认为进程具有独立且不同的地址空间，因此没有变量会位于同一内存位置 - 但是这个输出似乎另有说明。

问题：

这段代码实际上是在同步这两个进程吗？我持怀疑态度。尽管我使用非零标志 sem_init 调用了 sem_init，但似乎子进程应该获得信号量的副本。我没有看到sem 在父进程和子进程之间“共享”的机制：信号量没有命名，我不明白信号量是如何在父进程和子进程之间共享的。我怀疑每个进程只是简单地获取和释放它自己的信号量“副本”，但我不确定。

谢谢。

Answer 1

Linux 使用“copy-on-write”习语，这意味着在您调用fork() 之后，父级的内存不会立即复制（作为单独的副本）给子级。仅当子进程尝试将任何数据写入内存时才会发生复制。

了解“真实”内存地址（即物理内存中的地址）和映射地址（即应用程序内存空间中的地址）之间的区别也很重要。两个应用程序中的两个指针可能具有相同的值（虚拟地址），但这并不意味着它们真的指向相同的物理位置：Memory mapping。

Answer 2

关于地址，这是因为子进程一开始就是父进程的精确副本。确切的重复包括（虚拟）内存映射。 Read the fork manual page 了解更多信息。

关于信号量，如果你 read the sem_init manual page 你会看到

如果pshared 不为零，则信号量在进程之间共享，并且应该位于共享内存区域中

这个在共享内存中的位置由你来处理，它不是自动为你完成的。

Answer 3

除了 SingerOfTheFall 的回答，我想补充一点，fork(2) 制作了父进程的精确副本 - 相同的内存映射、相同的信号掩码、相同的文件描述符表 - 所以你实际上得到了你的进程的真实副本.

进程确实有不同的地址空间，但为了理解为什么修改其中一个进程不会影响另一个进程，您应该记住虚拟地址和物理地址之间的区别以及所有进程（甚至内核amd64 无论如何）在虚拟地址空间中执行。

长话短说 - 简而言之，CPU 中有对应表（称为页表），每当您尝试访问给定地址时，CPU 都会查找违规地址的真实物理地址。内核为每个进程填充页表，并为每个进程提供相同的地址（如果未启用 ASLR）。

我不能确定为什么信号量在父母和孩子之间共享，但如果你的初始化是正确的，那么它不应该从外部世界访问。

参照。

https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_address_space

https://en.wikipedia.org/wiki/Page_table