编程上下文中的虚拟地址空间

Question

我对虚拟地址空间的含义感到困惑。在 32 位机器中，一个进程可以寻址 2^32 个内存位置。这是否意味着每个进程的虚拟地址空间是 2^32 (4GB) ？

下面是一个进程的虚拟地址空间的快照。这可以增长到4GB吗？这样的系统中的进程数有限制吗？

Answer 1

这可以增长到 4GB 吗？

地址空间的大小受唯一指针值的数量限制。对于 32 位处理器，一个 32 位值可以表示 2 ^ 32 个不同的值。如果您允许每个这样的值寻址不同的内存字节，您将获得 2 ^ 32 字节，即 4 GB。

所以，是的，一个进程的虚拟地址空间理论上可以增长到 4 GB。然而实际上，这也可能取决于系统和处理器。可以看出：

但是，奔腾类处理器无法达到这个理论上的最大值。一个原因是段值的低位编码有关选择器类型的信息。因此，在 65536 个可能的选择器值中，只有 8191 个可用于访问用户模式数据。这会将您降至 32TB。

请注意，有两种方法可以从系统分配内存，当然，您可以使用 C 的 malloc（您的问题标记为 c）隐式为您的进程分配内存，但显式映射文件字节。

这样的系统中的进程数有限制吗？

一个进程包含一个或多个线程，这些线程实际执行进程中的代码（从技术上讲，进程不运行，线程运行）并用内核线程对象表示。

根据here进行的一些测试，具有2GB默认地址空间的32位Windows XP系统可以创建大约2025个线程：

但是，在分配了 4GB 地址空间的 64 位 Windows XP 上运行的 32 位测试限制 创建了接近 3204 个线程：

但是，确切的线程和进程限制是非常可变的，这取决于很多因素。线程指定其堆栈大小的方式、进程指定其最小工作集的方式、可用物理内存量和系统提交限制的方式。在任何情况下，您通常不必在现代系统上担心这一点，因为如果您的应用程序真的超过线程限制，您应该重新考虑您的设计，因为几乎总是有替代方法来完成相同的目标，数量合理。

Answer 2

是的，在 32 位系统上每个进程的虚拟地址空间为 4GB（2³² 字节）。实际上，实际使用的少量虚拟内存对应于处理器缓存、物理内存或磁盘（或计算机决定放置内容的其他位置）中的位置。

理论上（这种行为在常见操作系统中非常普遍），如果操作系统决定将物理内存中无法容纳的所有内容放到磁盘上，进程实际上可以使用其所有虚拟内存，但这会使该程序非常慢，因为每次它试图访问一些未缓存的内存位置时，它都必须从磁盘中获取它。

您问您提供的图片是否可以增长到 4GB。其实你给的图片已经占满了4GB。这是一种将进程的 4GB 虚拟内存划分为不同部分的方法。此外，如果您正在考虑堆和堆栈“增长”，它们并没有真正增长。他们在该分区布局中为他们分配了一定数量的内存，并且他们只是根据需要使用该内存（堆栈移动指针，堆维护已使用和未使用内存的数据结构等）。

Answer 3

你读过维基百科的virtual memory、process、address space 页面吗？

你读过什么关于advanced unix programming的书？或advanced linux programming？

通常，地址空间是一组有效的段（图中不是蓝色的）。

另请参阅 mmap(2) 和 execve(2) 页面。

尝试（在 Linux 系统上）

cat /proc/self/maps

和

cat /proc/$$/maps

多了解一点。

另见this question 和this。阅读Operating Systems: Three Easy Pieces

当然，内核可以设置一些限制（另见setrlimit(2) syscall）。它们是资源限制（交换空间、RAM 等）。

Answer 4

回答被忽略的部分...

可以有多少进程是有限制的。内核保留在其虚拟地址空间部分（这是共享的，否则您将无法在每个进程中访问内核）中的所有每个进程的数据结构都会占用一些空间。因此，例如，如果有 1GB 可用于此数据并且内核中每个进程只需要一个 4KB 页面，那么您最多可以得到大约 250,000 个进程。在实践中，这个数字通常要小得多，因为事情更复杂，并且为每个进程的各种事情保留了物理内存。例如，请参阅Mark Russinovich's article on process and thread limits in Windows 了解更多详情。