“ 進程、線程有什么區別？虛擬地址和物理地址有什么區別？讓我們用一只青蛙的視角，來解讀它們背后的秘密”
進程、線程、虛擬地址、物理地址，這些名詞既熟悉也陌生！似乎無論看多少資料，都很難準確地弄清楚它們之間的差異和存在的意義。今天我們用CPU的視角，再次會會這個老朋友，看看你是否有新的啟發？
奇怪的內存
先寫一個最簡單的程序。這個程序只做兩件事情：定義一個全局變量 a，并賦值為：1；然后打印出 a 的地址和數值
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int a = 1;
int main()
{
printf("address: %p, value: %dn", &a, a);
sleep(10000000);
}
將上面的代碼，編輯成可執行程序：p1；接著，修改一下代碼：給全局變量 a 賦值為：2，再次編譯出可執行程序：p2。
好了，兩個程序：p1，p2 都準備好了，讓我們再以兩個進程的形式，運行它們：左邊的窗口進程，運行p1；右邊的窗口進程，運行p2
發現問題了嗎？無論是 p1 還是 p2，它們輸出的 a 的地址都是一樣的，但 a 的值卻不一樣！難道同一個內存地址里面，既能存放 1，也能存放 2？
當然不是，原來0x555555558010是虛擬地址，并不是真實的物理內存地址，進程p1的0x555555558010，跟進程p2的0x555555558010，沒有任何關系！
虛擬地址，只在進程內，是有意義的；可以用來指示不同變量，所對應的不同內存地址；但一旦跳出單一進程，在進程之間比較虛擬地址，就沒有任何意義了！
MMU
是什么軟件，擁有如此的魔力？能讓進程p1和進程p2的內存空間完全隔離？答案不是軟件，而是硬件 — 現代CPU的協處理器：MMU
MMU的工作原理，未來我們還會詳細闡述，這里只說結論：無論是進程p1，還是進程p2的，它們的變量 a 的地址都是虛擬地址，看上去是同一個地址，但實際上，已經被 MMU 映射到了不同的物理地址上去了。這就是“進程”最顯著的特點：空間獨立性。
舉個例子，進程就像一只井底之蛙，它固執地認為：自己已經擁有整個天空；但它永遠不知道：天空到底有多大。更不知道：周圍還有很多跟它有一樣想法的井底之蛙，而 MMU 就是束縛這些青蛙視野的井，每一口井，就是一個：進程空間。
進程 vs 線程
那看來全是 MMU 惹的禍，不要 MMU 行嗎？當然可以，但一旦沒有井的束縛，所有的青蛙，都跳到地面上，它們都可以看到一個完整的天空，所以，沒有 MMU，進程也就不存在了，進程被降級成了：線程。
這樣的例子很多，例如：在沒有 MMU 的單片機。你就只會遇到線程或者叫：task，根本沒有“進程”的概念。
在 MMU 出現之前，計算機的世界里面，只有“線程”，在 MMU 出現之后，“進程”才真正落地，因為沒有 MMU，就沒有辦法實現：內存空間的隔離，也就根本無法實現“進程”要求的：空間獨立性。
至于“進程”中的多“線程”就很容易理解了。就是：一堆青蛙，都放在一個井里。而且，它們都認為自己擁有整個天空。
因為，這些“線程”都處于同一個“進程”空間中，大家可以相互訪問，完全沒有任何限制。這使得用“線程”實現多任務編程，會非常便利。
但也因為這種對安全的忽視，一旦任何一個“線程”崩潰
所有的“線程”都不能幸免，大家一榮俱榮，一損俱損！
所以，網絡服務器一般都會使用“多進程”，而很少使用“多線程”。這樣即使某一個用戶的服務進程崩潰了，其他“進程”還能繼續正常工作。這樣，就不會因為某個用戶的訪問失敗，而導致其他用戶也無法訪問服務器。
好了，這可能就是你永遠弄不清楚：“線程”和“進程”的原因，因為，這不僅僅是：一個軟件問題，更是一個 MMU 的問題。以后你再跟人討論“線程”、“進程”的時候，一定要先問一下：有 MMU 嗎？
總結
- 進程就像一只井底之蛙，雖然看上去，它可以讀/寫整個64位（假設CPU是64位的）的虛擬內存空間：void write_memory()
{char*p = 0;
for(unsigned long offset = 0; offset<= 0xFFFFFFFFFFFFFFFF; offset++)
{*(p + offset) = 0x55;
}} 但天到底有多大，真實的物理內存空間到底有多少？除了操作系統和MMU，沒有人能知道。 - 進程間的空間隔離，讓進程之間的信息共享沒有線程那么方便，但也大大提高了整個系統的安全性；再也不會因為某一個應用程序的崩潰，導致計算機重啟。還記得紅白機上的reset按鍵嗎？
任何一個游戲程序的崩潰，都需要通過reset來重啟/恢復系統。
3. 進程間的空間隔離，讓惡意程序無法再掃描整其他程序的內存或整個物理內存，任何程序只能在自己的一畝三分地里面干活。通過游戲修改器，玩《仙劍奇俠傳》的日子，不會再有了。
這樣看來：生活在“井”里，也沒有什么不好。
熱點問題
Q1：誰在分配：虛擬地址？
A1：程序員在代碼中編寫的：任何變量、函數、數據結構，在編譯過程中，都會被編譯器安排了一個內存地址，這個地址就是虛擬地址。
Q2：虛擬內存的好處？
A2：好處是：編譯器在生成可執行程序時，可以更加自由的分配：代碼中變量的內存地址，不用關心它在實際運行環境中，應該是多少？也不用關心運行環境的內存是否夠用。
相同的 exe文件，同時運行2次，也不用擔心它們同名的變量或函數，會在內存中重疊在一起。因為它們都用的是虛擬地址，無論外表多么相似，都可能被分配在不同的“物理地址”上。
此外，當程序所需的內存大于計算機的實際內存時，虛擬內存機制可以用硬盤來給內存“擴容”。
Q3：我電腦的內存有8GB，那跑在該電腦上的程序，其虛擬地址空間，也只能有8GB嗎？
A3：虛擬地址的空間大小，取決于CPU的位數，32位CPU對應的虛擬地址空間為：0~0xFFFFFFFF（4GB），64位CPU對應的虛擬地址空間為：0~0xFFFFFFFFFFFFFFFF（16384PB），它們跟真實的物理內存大小，沒有關系。
Q4：為什么我執行實例代碼的時候，輸出的 a 的內存地址總是在變化？
A4：新版本的linux對虛擬內存進行了保護，作了隨機化處理，為了達到文章所述的效果，需要取消這種隨機化處理。請在運行程序之前，在命令行中輸入如下命令：
echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space
