不知有沒有注意過一個現象，運行中的進程會出現相同地址卻儲存不同值的情況？這是什麼原因？本文將聚焦Linux內存底層邏輯，拆解虛擬地址空間、物理內存與頁表的關聯，揭秘進程內存隔離與地址映射的核心原理。

一.同址不同存

先看一段代碼：

#include<stdio.h>
int main()
{
    int num = 10;
    int n = fork();
    if(n == 0){
        num =20;
        printf("%p: %d\n",&num,num);
    }
    else{
        printf("%p: %d\n",&num,num);
    }
    return 0;
}

當我們創建子進程改變父進程中創建的變量——同一個變量，同一個地址，同時讀取數據，卻得到了不同內容！

不是一個地址只能存一個數據嗎?為什麼不會互相干擾? 這便是"同址不同存"，但它是如何形成的?

二.虛擬(進程/線性)地址空間

地址空間: 地址總線排列組合形成地址範圍[0,2^32]（32位計算機中，有32位地址和數據總線）

而進程地址空間，本質是在總空間上標定不同區域的起始和結束，進而可視進程空間範圍大小：

以4G內存為例，對總長4G的空間進程區域劃分，限定不同類型數據的使用範圍(空間區域調整就是區域分配的變化)；

但如果內存以這種固定的區域劃分形式存在，會帶來什麼問題？對空間利用不充分；本來有4G的空間可以被任意使用，卻只能被start和end限制住(比如棧區滿了，堆區還空着，但由於"區域"，計算機無法使用“空閒”的區域而導致內存不夠用)，造成了內存碎片和浪費的；顯然，"真實"內存不能這樣存在。

所以，進程地址空間是“虛擬”的，也就是説這個空間佈局並不是真實存在；或者説 只是給每個進程一個完整4GB的“內存視圖”，並且對這4GB有進行了區域劃分，讓進程能夠以統一的視角看待內存；

為什麼每個進程看到的都是4GB？

相當於給每個進程畫個"大餅"，讓進程以為有“全部”空間；不用處理內存碎片、地址衝突；當映射時僅映射實際使用的虛擬地址到物理內存，未用部分不佔物理空間，支持多進程共享物理內存(下文頁表説)。

三.物理內存

物理內存是計算機真實硬件內存，全局共享，按固定大小（如4KB）劃分為頁幀，作為最小分配單位。無固定功能分區，由系統動態分配給進程，承載進程運行所需的實際數據與指令，是數據讀寫的最終載體。

物理內存，是內存條提供的可直接訪問的硬件和儲存空間，物理內存中的實際內容，就是進程加載內存條的數據；

四.頁表

回到最開始的問題，如果變量的地址是物理地址，不可能出現“同一個變量，同一個地址，同時讀取數據，卻得到不同內容”的現象，畢竟物理內存每個編號都是確定的，4GB被進程共享的；所以printf輸出的地址一定是虛擬地址，但是，我們剛才説過，實際數據是被寫到物理中內存的，進程卻拿的是虛擬內存，那麼兩者之間必定有能夠“連接”的方式——頁表。

頁表：操作系統中用於存儲虛擬頁號與物理頁框號映射關係的表格，實現虛擬地址到物理地址的轉換，輔助內存管理。

頁表映射原理文字總結

•  進程生成虛擬地址，CPU將虛擬地址按固定頁大小拆分為 虛擬頁號（VPN） 和 頁內偏移（頁內偏移位數由頁大小決定，如4KB對應12位，全程不變）。
• CPU讀取 CR3寄存器，獲取當前進程頁表的物理基地址（CR3是唯一入口，進程切換時會更新CR3為新進程頁表基址）。
•  用頁表物理基地址 + VPN計算偏移，定位到頁表中對應頁表項（本質是內存地址計算，找到存儲該VPN映射關係的內存單元）。
• 檢查頁表項控制位：確認有效位（該虛擬頁是否已加載到物理內存）、權限位（當前訪問是否合法，如讀/寫/執行），合法則提取頁表項中的 物理頁框號（PFN）。
• 將PFN左移頁內偏移位數，與頁內偏移拼接，生成最終可訪問的 物理地址。
• CPU通過物理地址訪問實際內存，獲取數據/指令返回給進程。

缺頁中斷

• 觸發條件：CPU查頁表時，目標VPN無有效映射（頁表項無效/不存在）。
• 核心作用：讓OS將磁盤中缺失的頁加載到物理內存，補全虛實映射。

頁表: 思考三個問題

問題一：對於一個數據，虛擬內存有隻讀(常量區)概念，物理內存卻沒有，那如何確定一個數據訪問權限？

上圖介紹時，頁表中還有兩列沒有涉及: 其中一列方式，就是對數據訪問權限的控制；

問題二：之前介紹過，進程有一種狀態是被掛起的，是通過頁表實現的嗎？

缺頁中斷的第二種觸發條件：頁表項無效

同理，進程可以對大文件可實現分批加載，對於掛起/分批加載/維持，確定了虛擬內存頁表中數據，但映射到物理內存部分卻不添（加載）；包括寫時拷貝，將權限設置為“r”，不允許其寫，導致這在更改數據時頁表不得不讓操作系統重新分配內存，更改數據，權限改“w”。

問題三：進程在被創建時，是先創建內核數據結構還是先將可執行程序加載到內存?

顯然是先創建內核數據結構(核心是PCB)，再加載可執行程序；

進程=內核數據結構(task_struct && mm_struct && 頁表) + 程序代碼和數據

頁表作用

有了頁表之後，物理內存在哪兒開闢，什麼時候開闢，怎麼限制都不重要了，只要映射能找到就可以（讓無序變有序）；而虛擬內存，我們始終以一種連續、線性的方式，讓進程看待內存，更好地管理內部存儲。

五.總結

為什麼要有虛擬地址空間？=進程地址空間=線性地址空間

• 讓進程以統一的視角看待內存
• 增加進程虛擬地址空間可以讓我們訪問內存時增加一個轉換過程，這個轉換過程中，可以對我們尋址請求作審查，一旦異常訪問，直接攔截，請求不會到達物理內存，保護物理內存。
• 因為有地址空間和頁表的存在，可以將進程管理模塊和內存管理模塊進行解耦合。