“ 进程、线程有什么区别？虚拟地址和物理地址有什么区别？让我们用一只青蛙的视角，来解读它们背后的秘密”

进程、线程、虚拟地址、物理地址，这些名词既熟悉也陌生！似乎无论看多少资料，都很难准确地弄清楚它们之间的差异和存在的意义。今天我们用CPU的视角，再次会会这个老朋友，看看你是否有新的启发？

奇怪的内存

先写一个最简单的程序。这个程序只做两件事情：定义一个全局变量 a，并赋值为：1；然后打印出 a 的地址和数值

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>


int a = 1;
int main()
{
    printf("address: %p, value: %d\n", &a, a);
    sleep(10000000);
}

将上面的代码，编辑成可执行程序：p1；接着，修改一下代码：给全局变量 a 赋值为：2，再次编译出可执行程序：p2。

好了，两个程序：p1，p2 都准备好了，让我们再以两个进程的形式，运行它们：左边的窗口进程，运行p1；右边的窗口进程，运行p2

发现问题了吗？无论是 p1 还是 p2，它们输出的 a 的地址都是一样的，但 a 的值却不一样！难道同一个内存地址里面，既能存放 1，也能存放 2？

当然不是，原来0x555555558010是虚拟地址，并不是真实的物理内存地址，进程p1的0x555555558010，跟进程p2的0x555555558010，没有任何关系！

虚拟地址，只在进程内，是有意义的；可以用来指示不同变量，所对应的不同内存地址；但一旦跳出单一进程，在进程之间比较虚拟地址，就没有任何意义了！

MMU

是什么软件，拥有如此的魔力？能让进程p1和进程p2的内存空间完全隔离？答案不是软件，而是硬件 — 现代CPU的协处理器：MMU

MMU的工作原理，未来我们还会详细阐述，这里只说结论：无论是进程p1，还是进程p2的，它们的变量 a 的地址都是虚拟地址，看上去是同一个地址，但实际上，已经被 MMU 映射到了不同的物理地址上去了。这就是“进程”最显著的特点：空间独立性。

举个例子，进程就像一只井底之蛙，它固执地认为：自己已经拥有整个天空；但它永远不知道：天空到底有多大。更不知道：周围还有很多跟它有一样想法的井底之蛙，而 MMU 就是束缚这些青蛙视野的井，每一口井，就是一个：进程空间。

进程 vs 线程

那看来全是 MMU 惹的祸，不要 MMU 行吗？当然可以，但一旦没有井的束缚，所有的青蛙，都跳到地面上，它们都可以看到一个完整的天空，所以，没有 MMU，进程也就不存在了，进程被降级成了：线程。

这样的例子很多，例如：在没有 MMU 的单片机。你就只会遇到线程或者叫：task，根本没有“进程”的概念。

在 MMU 出现之前，计算机的世界里面，只有“线程”，在 MMU 出现之后，“进程”才真正落地，因为没有 MMU，就没有办法实现：内存空间的隔离，也就根本无法实现“进程”要求的：空间独立性。

至于“进程”中的多“线程”就很容易理解了。就是：一堆青蛙，都放在一个井里。而且，它们都认为自己拥有整个天空。

因为，这些“线程”都处于同一个“进程”空间中，大家可以相互访问，完全没有任何限制。这使得用“线程”实现多任务编程，会非常便利。

但也因为这种对安全的忽视，一旦任何一个“线程”崩溃

所有的“线程”都不能幸免，大家一荣俱荣，一损俱损！

所以，网络服务器一般都会使用“多进程”，而很少使用“多线程”。这样即使某一个用户的服务进程崩溃了，其他“进程”还能继续正常工作。这样，就不会因为某个用户的访问失败，而导致其他用户也无法访问服务器。

好了，这可能就是你永远弄不清楚：“线程”和“进程”的原因，因为，这不仅仅是：一个软件问题，更是一个 MMU 的问题。以后你再跟人讨论“线程”、“进程”的时候，一定要先问一下：有 MMU 吗？

总结

1. 进程就像一只井底之蛙，虽然看上去，它可以读/写整个64位（假设CPU是64位的）的虚拟内存空间：void write_memory()
   {
   char*p = 0;
   for(unsigned long offset = 0; offset<= 0xFFFFFFFFFFFFFFFF; offset++)
   {
   *(p + offset) = 0x55;
   }
   } 但天到底有多大，真实的物理内存空间到底有多少？除了操作系统和MMU，没有人能知道。
2. 进程间的空间隔离，让进程之间的信息共享没有线程那么方便，但也大大提高了整个系统的安全性；再也不会因为某一个应用程序的崩溃，导致计算机重启。还记得红白机上的reset按键吗？

任何一个游戏程序的崩溃，都需要通过reset来重启/恢复系统。

3. 进程间的空间隔离，让恶意程序无法再扫描整其他程序的内存或整个物理内存，任何程序只能在自己的一亩三分地里面干活。通过游戏修改器，玩《仙剑奇侠传》的日子，不会再有了。

这样看来：生活在“井”里，也没有什么不好。

热点问题

Q1：谁在分配：虚拟地址？

A1：程序员在代码中编写的：任何变量、函数、数据结构，在编译过程中，都会被编译器安排了一个内存地址，这个地址就是虚拟地址。

Q2：虚拟内存的好处？

A2：好处是：编译器在生成可执行程序时，可以更加自由的分配：代码中变量的内存地址，不用关心它在实际运行环境中，应该是多少？也不用关心运行环境的内存是否够用。

相同的 exe文件，同时运行2次，也不用担心它们同名的变量或函数，会在内存中重叠在一起。因为它们都用的是虚拟地址，无论外表多么相似，都可能被分配在不同的“物理地址”上。

此外，当程序所需的内存大于计算机的实际内存时，虚拟内存机制可以用硬盘来给内存“扩容”。

Q3：我电脑的内存有8GB，那跑在该电脑上的程序，其虚拟地址空间，也只能有8GB吗？

A3：虚拟地址的空间大小，取决于CPU的位数，32位CPU对应的虚拟地址空间为：0~0xFFFFFFFF（4GB），64位CPU对应的虚拟地址空间为：0~0xFFFFFFFFFFFFFFFF（16384PB），它们跟真实的物理内存大小，没有关系。

Q4：为什么我执行实例代码的时候，输出的 a 的内存地址总是在变化？

A4：新版本的Linux对虚拟内存进行了保护，作了随机化处理，为了达到文章所述的效果，需要取消这种随机化处理。请在运行程序之前，在命令行中输入如下命令：

echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space

参考视频

CPU眼里的：进程、线程 | MMU系列 | 空间独立性