linux記憶體管理---虛擬位址、邏輯地址、線性地址、物理地址的區別（一）

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  分析linux記憶體管理機制，離不了上述幾個概念，在介紹上述幾個概念之前，先從《深入理解linux核心》這本書中摘抄幾段關於上述名詞的解釋：

一、《深入理解linux核心》的解釋

邏輯地址（Logical Address） 

       包含在機器語言指令中用來指定一個運算元或一條指令的地址（有點深奧）。這種定址方式在80x86著名的分段結構中表現得尤為具體，它促使windows程式員把程式分成若干段。每個邏輯地址都由一個段和位移量組成，位移量指明了從段開始的地方到實際地址之間的距離。

線性地址（linear address）(也稱虛擬位址 virtual address)

       是一個32位不帶正負號的整數，可以用來表示高達4GB的地址，線性地址通常用十六進位數字表示，值的範圍從0x00000000到0xffffffff。

物理地址（physical address）

       用於記憶體晶片級記憶體單元定址。它們與從微處理器的地址引腳按發送到記憶體匯流排上的電訊號相對應。物理地址由32位或36位不帶正負號的整數表示。（其實這個最好理解，就是實實在在的地址）

       （PS：在下面的解釋就可以看到，有時也將邏輯地址看做虛擬位址，但是《深入理解linux核心》中將線性地址看做虛擬位址）

       首先說一句話：linux關於記憶體定址可以分為幾個階段，首先由分段機制，然後有分頁機制。

分頁機制在段機制之後進行，以完成線性—物理地址的轉換過程。段機制把邏輯地址轉換為線性址頁機制進一步把該線性地址再轉換為物理地址
         下面是我從網上尋找資料瞭解到的，同時添加了自己的理解
二、第二種解釋

邏輯地址（Logical Address）

       是指由程式產生的與段相關的位移地址部分。例如，你在進行C語言指標編程中，可以讀取指標變數本身值(&操作)，實際上這個值就是邏輯地址，它是相對於你當前進程資料區段的地址，不和絕對物理地址相干。只有在Intel實模式下，邏輯地址才和物理地址相等（因為實模式沒有分段或分頁機制,Cpu不進行自動地址轉換）；邏輯也就是在Intel保護模式下程式執行程式碼片段限長內的位移地址（假定程式碼片段、資料區段如果完全一樣）。應用程式員僅需與邏輯地址打交道，而分段和分頁機制對您來說是完全透明的，僅由系統編程人員涉及。應用程式員雖然自己可以直接操作記憶體，那也只能在作業系統給你分配的記憶體段操作。（也就是說，咱們應用程式中看到的地址都是邏輯地址。）
   如果是程式員，那麼邏輯地址對你來說應該是輕而易舉就可以理解的。我們在寫C代碼的時候經常說我們定義的結構體首地址的位移量，函數的入口位移量，數組首地址等等。當我們在考究這些概念的時候，其實是相對於你這個程式而言的。並不是對於整個作業系統而言的。也就是說，邏輯地址是相對於你所編譯啟動並執行具體的程式（或者叫進程吧，事實上在運行時就是當作一個進程來執行的）而言。你的編譯好的程式的入口地址可以看作是首地址，而邏輯地址我們通常可以認為是在這個程式中，編譯器為我們分配好的相對於這個首地址的位移，或者說以這個首地址為起點的一個相對的地址值。（PS：這麼來看，邏輯地址就是一個段內位移量，但是這麼說違背了邏輯地址的定義，在intel段是管理中，一個邏輯地址，是由一個段標識符加上一個指定段內相對位址的位移量，表示為 [段標識符：段內位移量]）

    當我們雙擊一個可執行程式時，就是給作業系統提供了這個程式啟動並執行入口地址。之後shell把可執行檔的地址傳入核心。進入核心後，會fork一個新的進程出來，新的進程首先分配相應的記憶體地區。這裡會碰到一個著名的概念叫做Copy On Write，即寫時複製技術。這裡不詳細講述，總之新的進程在fork出來之後，新的進程也就獲得了整個的PCB結構，繼而會調用exec函數轉而去將磁碟中的代碼載入到記憶體地區中。這時候，進程的PCB就被加入到可執行進程的隊列中，當CPU調度到這個進程的時候就真正的執行了。

   我們大可以把程式啟動並執行入口地址理解為邏輯地址的起始地址，也就是說，一個程式的開始的地址。以及以後用到的程式的相關資料或者代碼相對於這個起始地址的位置（這是由編譯器事先安排好的），就構成了我們所說的邏輯地址。邏輯地址就是相對於一個具體的程式（事實上是一個進程，即程式真正被運行時的相對位址）而言的。這麼理解在細節上有一定的偏差，只要領會即可。
   總之一句話，邏輯地址是相對於應用程式而言的。邏輯地址產生的曆史背景：

     追根求源，Intel的8位機8080CPU，資料匯流排（DB）為8位，地址匯流排（AB）為16位。那麼這個16位地址資訊也是要通過8位元據匯流排來傳送，也是要在資料通道中的暫存器，以及在CPU中的寄存器和記憶體中存放的，但由於AB正好是DB的整數倍，故不會產生矛盾！

    但當上升到16位機後，Intel8086/8088CPU的設計由於當年IC整合技術和外封裝及引腳技術的限制，不能超過40個引腳。但又感覺到8位機原來的地址定址能力2^16＝64KB太少了，但直接增加到16的整數倍即令AB＝32位又是達不到的。故而只能把AB暫時增加4條成為20條。則

2^20＝1MB的定址能力已經增加了16倍。但此舉卻造成了AB的20位和DB的16位之間的矛盾，20位地址資訊既無法在DB上傳送，又無法在16位的CPU寄存器和記憶體單元中存放。於是應運而生就產生了CPU段結構的原理。Intel為了相容，將遠古時代的段式記憶體管理方式保留了下來，也就存在了邏輯地址

線性地址（Linear Address） 
    是邏輯地址到物理地址變換之間的中介層。程式碼會產生邏輯地址，或者說是段中的位移地址，加上相應段的基地址就產生了一個線性地址。如果啟用了分頁機制，那麼線性地址可以再經變換以產生一個物理地址。若沒有啟用分頁機制，那麼線性地址直接就是物理地址。Intel
80386的線性地址空間容量為4G（2的32次方即32根地址匯流排定址）。

    我們知道每台電腦有一個CPU（我們從單CPU來說吧。多CPU的情況應該是雷同的），最終所有的指令操作或者資料等等的運算都得由這個CPU來進行，而與CPU相關的寄存器就是暫存一些相關資訊的儲存記憶裝置。因此，從CPU的角度出發的話，我們可以將電腦的相關裝置或者組件簡單分為兩類：一是資料或指令儲存記憶裝置（如寄存器，記憶體等等），一種是資料或指令通路（如地址線，資料線等等）。線性地址的本質就是“CPU所看到的地址”。如果我們追根溯源，就會發現線性地址的就是伴隨著Intel的X86體繫結構的發展而產生的。當32位CPU出現的時候，它的可定址範圍達到4GB，而相對於記憶體大小來說，這是一個相當巨大的數字，我們也一般不會用到這麼大的記憶體。那麼這個時候CPU可見的4GB空間和記憶體的實際容量產生了差距。而線性地址就是用於描述CPU可見的這4GB空間。我們知道在多進程作業系統中，每個進程擁有獨立的地址空間，擁有獨立的資源。但對於某一個特定的時刻，只有一個進程運行於CPU之上。此時，CPU看到的就是這個進程所佔用的4GB空間，就是這個線性地址。而CPU所做的操作，也是針對這個線性空間而言的。之所以叫線性空間，大概是因為人們覺得這樣一個連續的空間排列成一線更加容易理解吧。其實就是CPU的可定址範圍。
   對linux而言，CPU將4GB劃分為兩個部分，0-3GB為使用者空間（也可以叫核外空間），3-4GB為核心空間（也可以叫核內空間）。作業系統相關的代碼，即核心部分的代碼資料都會映射到核心空間，而使用者進程則會映射到使用者空間。至於系統是如何將線性地址轉換到實際的實體記憶體上，在下一篇文章講解，無外乎段式管理和頁式管理。

物理地址（Physical Address）
是指出現在CPU外部地址匯流排上的定址實體記憶體的地址訊號，是地址變換的最終結果地址。如果啟用了分頁機制，那麼線性地址會使用頁目錄和頁表中的項變換成物理地址。如果沒有啟用分頁機制，那麼線性地址就直接成為物理地址了。

三、第三種解釋

虛擬記憶體（Virtual Memory） 
是指電腦呈現出要比實際擁有的記憶體大得多的記憶體量。因此它允許程式員編製並運行比實際系統擁有的記憶體大得多的程式。這使得許多大型項目也能夠在具有有限記憶體資源的系統上實現。一個很恰當的比喻是：你不需要很長的軌道就可以讓一列火車從上海開到北京。你只需要足夠長的鐵軌（比如說3公裡）就可以完成這個任務。採取的方法是把後面的鐵軌立刻鋪到火車的前面，只要你的操作足夠快並能滿足要求，列車就能象在一條完整的軌道上運行。這也就是虛擬記憶體管理需要完成的任務。在Linux
0.11核心中，給每個程式（進程）都劃分了總容量為64MB的虛擬記憶體空間。因此程式的邏輯位址範圍是0x0000000到0x4000000。

有時我們也把邏輯地址稱為虛擬位址。因為與虛擬記憶體空間的概念類似，邏輯地址也是與實際實體記憶體容量無關的。（這一點和上面的解釋有一點區別，往下的解釋就按照這個繼續）
    邏輯地址與物理地址的“差距”是0xC0000000，是由於虛擬位址->線性地址->物理地址映射正好差這個值。這個值是由作業系統指定的。

   虛擬位址到物理地址的轉化方法是與體繫結構相關的。一般來說有分段、分頁兩種方式。以現在的x86 cpu為例，分段分頁都是支援的。MemoryMangement Unit負責從邏輯地址到物理地址的轉化。邏輯地址是段標識+段內位移量的形式，MMU通過查詢段表，可以把邏輯地址轉化為線性地址。如果cpu沒有開啟分頁功能，那麼線性地址就是物理地址；如果cpu開啟了分頁功能，MMU還需要查詢頁表來將線性地址轉化為物理地址：

邏輯地址 ----（段表）---> 線性地址 — （頁表）—> 物理地址
不同的邏輯地址可以映射到同一個線性地址上；不同的線性地址也可以映射到同一個物理地址上；所以是多對一的關係。另外，同一個線性地址，在發生換頁以後，也可能被重新裝載到另外一個物理地址上。所以這種多對一的映射關係也會隨時間發生變化。

四、第四種解釋

1. 程式（進程）的虛擬位址和邏輯地址

邏輯地址（logicaladdress）指程式產生的段內位移地址。應用程式只與邏輯地址打交道，分段分頁對應用程式來說是透明的。也就是說C語言中的&，組合語言中的符號地址，C中嵌入式彙編的”m”對應的都是邏輯地址。

         邏輯地址是Intel為了相容，將遠古時代的段式記憶體管理方式保留了下來。邏輯地址指的是機器語言指令中，用來指定一個運算元或者是一條指令的地址。以上例，我們說的連接器為A分配的0x08111111這個地址就是邏輯地址。不過不好意思，這樣說，好像又違背了Intel中段式管理中，對邏輯地址要求，“一個邏輯地址，是由一個段標識符加上一個指定段內相對位址的位移量，表示為[段標識符：段內位移量]，也就是說，上例中那個0x08111111，應該表示為[A的程式碼片段標識符: 0x08111111]，這樣，才完整一些”
線性地址(linear address)或也叫虛擬位址(virtual address)：跟邏輯地址類似，它也是一個不真實的地址，如果邏輯地址是對應的硬體平台段式管理轉換前地址的話，那麼線性地址則對應了硬體頁式記憶體的轉換前地址。 

1. 實際實體記憶體地址

物理地址（physicaladdress）是CPU外部地址匯流排上的定址訊號，是地址變換的最終結果，一個物理地址始終對應實際記憶體中的一個儲存單元。對80386保護模式來說，如果開啟分頁機制，線性地址經過頁變換產生物理地址。如果沒有開啟分頁機制，線性地址直接對應物理地址。頁目錄表項、頁表項對應都是物理地址。

是指出現在CPU外部地址匯流排上的定址實體記憶體的地址訊號，是地址變換的最終結果地址。如果啟用了分頁機制，那麼線性地址會使用頁目錄和頁表中的項變換成物理地址。如果沒有啟用分頁機制，那麼線性地址就直接成為物理地址了。

      物理地址用於記憶體晶片級的單元定址，與處理器和CPU串連的地址匯流排相對應。這個概念應該是這幾個概念中最好理解的一個，但是值得一提的是，雖然可以直接把物理地址理解成插在機器上那根記憶體本身，把記憶體看成一個從0位元組一直到最大空量逐位元組的編號的大數組，然後把這個數組叫做物理地址，但是事實上，這隻是一個硬體提供給軟體的抽像，記憶體的定址方式並不是這樣。所以，說它是“與地址匯流排相對應”，是更貼切一些，不過拋開對實體記憶體定址方式的考慮，直接把物理地址與物理的記憶體一一對應，也是可以接受的。也許錯誤的理解更利於形而上的抽像。

Linux0.11的核心資料區段，核心程式碼片段基地址都是0，所以對核心來說，邏輯地址就是線性地址。又因為1個頁目錄表和4個頁表完全映射16M實體記憶體，所以線性地址也就是物理地址。故對linux0.11核心來說，邏輯地址，線性地址，物理地址重合。

 

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       虛擬位址是對整個記憶體（不要與機器上插那條對上號）的抽像描述。它是相對於實體記憶體來講的，可以直接理解成“不真實的”，“假的”記憶體，例如，一個0x08000000記憶體位址，它並不對就物理地址上那個大數組中0x08000000 - 1那個地址元素；之所以是這樣，是因為現代作業系統都提供了一種記憶體管理的抽像，即虛擬記憶體（virtual memory）。進程使用虛擬記憶體中的地址，由作業系統協助相關硬體，把它“轉換”成真正的物理地址。這個“轉換”，是所有問題討論的關鍵。有了這樣的抽像，一個程式，就可以使用比真實物理地址大得多的地址空間。（拆東牆，補西牆，銀行也是這樣子做的），甚至多個進程可以使用相同的地址。不奇怪，因為轉換後的物理地址並非相同的。可以把串連後的程式反編譯看一下，發現連接器已經為程式分配了一個地址，例如，要調用某個函數A，代碼不是call A，而是call 0x0811111111 ，也就是說，函數A的地址已經被定下來了。沒有這樣的“轉換”，沒有虛擬位址的概念，這樣做是根本行不通的。打住了，這個問題再說下去，就收不住了。
五、總結

CPU將一個虛擬記憶體空間中的地址轉換為物理地址，需要進行兩步：首先將給定一個邏輯地址（其實是段內位移量，這個一定要理解！！！），CPU要利用其段式記憶體管理單元，先將為個邏輯地址轉換成一個線程地址，再利用其頁式記憶體管理單元，轉換為最終物理地址。

線性地址：是CPU所能定址的空間或者範圍。
物理地址：是機器中實際的記憶體位址。換言之，是機器中的記憶體容量範圍。
邏輯地址：是對程式而言的。一般以Seg:Offset來表示。（程式員自己看到的地址）
因此，若要確實比較三者的話，應有以下關係：線性地址大於等於物理地址(PS:但二者的地址空間是一樣的)，而邏輯地址大於線性地址。邏輯地址通過段表變換成線性地址，此時如果並未開啟分頁機制的情況下，邏輯地址直接轉換成CPU所能定址的空間。若已開啟則通過頁表完成線性地址到物理地址的變換。
因此，三者最準確的關係是：邏輯地址通過線性地址完成物理地址的映射，線性地址在三者之中完全是充當"橋"的作用。

不管哪種解釋，都差不多，只不過把虛擬位址歸屬於剩下三種的哪一個的問題

轉載：http://blog.csdn.net/yusiguyuan/article/details/9664887

linux記憶體管理---虛擬位址、邏輯地址、線性地址、物理地址的區別（一）