什么时候分配内存地址？答案

【问题标题】：When do memory addresses get assigned?什么时候分配内存地址？
【发布时间】：2015-01-22 10:00:28
【问题描述】：

考虑以下 CPU 指令，它获取地址 16777386（十进制）的内存并将其存储在寄存器 1 中：

Move &0x010000AA, R1

传统上，程序在编译时被翻译成汇编（机器代码）。（让我们忽略更复杂的现代系统，如 jitting）。

但是，如果这个地址分配是在编译时静态完成的，那么操作系统如何保证两个进程不使用相同的内存呢？（例如，如果您同时运行相同的编译程序两次）。

问题：

程序如何以及何时分配其内存地址？

虚拟内存：

我了解大多数（如果不是全部）现代系统在硬件中使用内存管理单元以允许使用虚拟内存。地址空间的前几个八位字节用于引用哪个页面。如果每个进程使用不同的页面，这将允许内存保护。但是，如果这是执行内存保护的方式，那么最初的问题仍然存在，只是这次是如何分配页码？

编辑：

CPU：

一种可能性是 CPU 可以通过在执行基于内存的指令之前强制由操作系统分配进程 ID 来处理内存保护。然而，这只是推测，需要 CPU 架构的硬件支持，我不确定 RISC ISA 是否会被设计成这样。

【问题讨论】：

【解决方案1】：

对于虚拟内存，每个进程都有单独的地址空间，因此一个进程中的 0x010000AA 将引用与另一个进程中不同的值。

地址空间是通过内核控制的page tables 实现的，处理器用来将虚拟页面地址转换为物理页面地址。让两个进程使用相同的地址页号不是问题，因为这些进程有单独的页表并且映射的物理内存可能不同。

通常可执行代码和全局变量将被静态映射，堆栈将被映射到随机地址（有些漏洞利用这种方式更难），动态分配例程将使用系统调用来映射更多页面。

【讨论】：

据我了解，页面查找使用硬件来减少查找的时间成本（是的，内核接管了页面错误，但这应该是异常情况）。那么 MMU 是否跟踪正在运行的进程呢？它怎么知道将 0x010000AA 一次映射到物理地址 X，但稍后将 0x010000AA 映射到物理地址 Y？
@James，处理器需要一个指向页表的寄存器（例如 x86 中的 CR3 en.wikipedia.org/wiki/Control_register#CR3 ）。
扩展@zch 的注释，每个进程都有自己的页表，因此在上下文切换时，内核将 CR3 寄存器更改为它正在交换的进程的页表基地址。

【解决方案2】：

（忽略 Unix fork）进程内存的初始状态由可执行加载程序设置。链接器定义初始内存状态，加载器创建它。该状态通常包括静态数据、可执行代码、可写数据和堆栈的内存。

在大多数系统中，进程可以通过添加页面（也可能删除它们）来修改地址空间。

[忽略系统地址] 在虚拟（逻辑）内存系统中，每个进程都有一个从零开始的地址空间（通常第一页没有映射）。地址空间被划分为页面。操作系统将逻辑页面映射（和重新映射）到物理页面。

一个进程中的地址 0x010000AA 是每个进程中不同的物理内存地址。

【讨论】：