逻辑地址、线性地址、物理地址和虚拟地址

文章出处：http://linux.chinaunix.net/bbs/thread-919019-1-1.html

 

    要过年了，发个年终总结贴，只是个人理解，不包正确哈。

    本帖涉及的硬件平台是X86，如果是其他平台，嘻嘻，不能保证一一对号入座，但是举一反三，我想是完全可行的。

 

    1、 概念

    物理地址（physical address）

    用于内存芯片级的单元寻址，与处理器和CPU连接的地址总线相对应。

    —— 这个概念应该是这几个概念中最好理解的一个，但是值得一提的是，虽然可以直接把物理地址理解成插在机器身上的那根内存本身，把内存看成一个从0字节一直到最大空量逐字节的编号的大数组，然后把这个数组叫做物理地址，但事实上，这只是一个硬件提供给软件的抽象，内存的寻址方式并不是这样。所以，说它是“与地址总线相对应”，是更贴切一些，不过抛开对物理内存寻址方式的考虑，直接把物理地址与物理内存一一对应，也是可以接受的。也许错误的理解更利于形而上的抽象。

 

    虚拟内存（virtual memory）

    这是对整个内存（不要与机器上插那条对上号）的抽象描述。它是相对于物理内存来讲的，可以直接理解成“不真实的”，“假的”内存，例如，一个0x08000000内存地址，它并不对就物理地址上那个大数组中0x08000000-1那个地址元素；

    之所以这样，是因为现代操作系统都提供了一种内存管理的抽象，即虚拟内存（virtual memory）。进程使用虚拟内存中的地址，由操作系统协助相关硬件，把它“转换”成真正的物理地址。这个“转换”，是所有问题讨论的关键。

    有了这样的抽象，一个程序，就可以使用比真实物理地址大得多的地址空间。（拆东墙，补西墙，银行也是这样子做的），甚至多个进程可以使用相同的地址。不奇怪，因为转换后的物理地址并非相同的。

—— 可以把连接后的程序反编译看下，发现连接器已经为程序分配了一个地址空间。例如，要调用某个函数A，代码不是call A，而是 call 0x0811111111，也就是说，函数A的地址已经被定下来了。没有这样的“转换”，没有虚拟地址的概念，这样做是根本行不通的。

打住了，这个问题再说下去，就收不住了。

 

    逻辑地址（logical address）

    Intel为了兼容，将远古时代的段式内存管理方式保留了下来。逻辑地址指的是机器语言指令中，用来指定一个操作数或者是一条指令的地址。以上例，我们说的连接器为A分配的0x0811111111这个地址就是逻辑地址。

    —— 不过不好意思，这样说，好像又违背了Intel中段式管理中，对逻辑地址要求“一个逻辑地址，是由一个段标识符加上一个指定段内相对地址的偏移量，表示为 [段标识符：段内偏移量]，也就是说，上例中那个0x0811111111，应该表示为 [A的代码段标识符: 0x0811111111]，这样才完整一些”

 

    线性地址（linear address）或也叫虚拟地址（virtual address）

    跟逻辑地址类似，它也是一个不真实地址，如果逻辑地址是对应的硬件平台段式管理转换前地址的话，那么线性地址则对应了硬件页式内存的转换前地址。

 

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    CPU将一个虚拟内存空间中的地址转换为物理地址，需要进行两步：首先将给定一个逻辑地址（其实是段内偏移量，这个一定要理解！！！），CPU要利用段式内存管理单元，先将为个逻辑地址转换成一个线性地址，再利用其页式内存管理单元，转换为最终物理地址。

    这样做两次转换，的确是非常麻烦而且没有必要的，因为直接可以把线性地址抽象给进程。之所以这样冗余，Intel完全是为了兼容而已。

 

    2、 CPU段式内存管理，逻辑地址如何转换为线性地址

    一个逻辑地址由两部分组成，段标识符：段内偏移量。段标识符是由一个16位长的字段组成，称为段选择符。其中前13位是一个索引号。后面的3位包含一些硬件细节，如图：

最后两位设计权限检查，本贴中不包含。

    索引号，或者直接理解成数组下标——那它总要对应一个数组吧，它又是什么东东的索引呢？这个东东就是“段描述符（segment descriptor）”，呵呵，段描述符具体地址描述了一个段（对于“段”这个字眼的理解，我是把它想象成，拿了一把刀，把虚拟内存，砍成若干的截——段）。这样，很多个段描述符，就组了一个数组，叫“段描述符表”，这样，可以通过段标识符的前13位，直接在段描述符表中找到一个具体的段描述符，这个描述符就描述了一个段，我刚才对段的抽象不太准确，因为看看描述符里面究竟有什么东东——也就是它究竟如何描述的，就理解段究竟有什么东东了，每一个段描述符由8个字节组成，如下图：