Linux 核心中邏輯地址/虛擬位址/線性地址三者的區別

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本博文引自我的知乎回答：Linux 線性地址，邏輯地址和虛擬位址的關係？

為了防止歧義，以下術語都用英文。部分術語不做解釋了，不然答案就太長了。

以下講解都是以程式碼片段為例

在 Intel 平台下，邏輯地址(logical address)是 selector:offset 這種形式，selector 是 CS 寄存器的值，offset 是 EIP 寄存器的值。如果用 selector 去 GDT( 通用描述元表 ) 裡拿到 segment base address(段基址) 然後加上 offset(段內位移)，這就得到了 linear address。我們把這個過程稱作段式記憶體管理。

如果再把 linear address 切成四段，用前三段分別作為索引去PGD、PMD、Page Table裡查表，最終就會得到一個頁表項(Page Table Entry)，那裡面的值就是一頁實體記憶體的起始地址，把它加上 linear address 切分之後第四段的內容(又叫頁內位移)就得到了最終的 physical address。我們把這個過程稱作頁式記憶體管理。

問題來了，為什麼沒提到 virtual address，這是個什麼東西？其實在 Intel IA-32 手冊裡並沒有提到這個術語，但是在核心的確是用到了這個概念，比如__va和__pa這兩個宏定義。看似神秘的 virtual address 究其本質就是程式裡面使用的地址比如一個指標值，指標的本質就是 EIP 寄存器裡的值，說直白點，virtual address 就是 EIP 寄存器的值。你會發現我們上面說過，logical address 由 selector 和 offset 兩部分組成，offset 也是 EIP 寄存器的值，所以結論為：logical address 的 offset 正是 virtual address，它倆是一個東西。

既然搞明白了 logical address 和 virtual address 的關係，那麼我們再來看下，linear address 和 virtual address 是什麼關係。在上面講到的段式記憶體管理中，Linux 核心會將 segment base address(段基址)設成 0，於是就有 linear address = 0+offset，又因為 virtual address 就是 offset，所以算出的 linear address在數值上等於 virtual address，注意，是數值上等於，它們之間是差了段基址的，只不過段基址為 0 罷了。

網上很多資料認為邏輯地址是虛擬位址的別名，其實它們不是一個東西。還有很多資料把線性地址當作虛擬位址的別名，其實它們也不是一個東西，只是Linux在x86下將它們搞得數值相等而已，雖然值相等但是本質不同。

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講到這裡，三者之間的關係就講明白了，最後說下為什麼這三個概念會如此混亂。

按照 Intel 的設計，段式記憶體管理中的段類型分為三種：程式碼片段(上面講了)、資料區段、系統段(TSS之類的)，實在是太麻煩了。我們只靠頁式記憶體管理就已經可以完成Linux核心需要的所有功能，根本不需要段映射，但是段映射這玩意兒又關不掉，那就只能上點手段了。於是，Linux核心將所有類型的段的 segment base address 都設成0，段限長都設成最大(具體數值不展開講了，涉及到段描述符結構，很麻煩，這裡理解成地址匯流排的最大定址限度即可)，那麼這樣一來所有段都重合了，也就是不分段了，此外由於段限長是地址匯流排的定址限度，所以這也相當於所有段跟整個線性空間重合了。虛擬位址本來是在段內的位移量，現在段就是整個線性空間，所以虛擬位址就成了在整個線性空間內的位移量，這和線性地址的概念一樣，所以核心開發人員都已經將虛擬位址和線性地址當作一個東西了。像是 Understand The Linux Kernel 這本書裡面為了避免混淆，除了在開頭和術語表中引用了  virtual address 這個片語之外，其他地方全是用的 linear address。

看完這個答案，你會發現我們繞了一圈回來，雖然邏輯地址的概念很清晰，但是虛擬位址和線性地址依然可以不作區分，因為區分了也沒什麼用，核心裡這倆概念是通用的。不過，知道點區別還是不至於在某些時候把自己搞暈，尤其是有些書和教程裡面這兩個詞不說緣由就混著用，這很蛋疼。好了，最後結論就是，這兩個概念區分開來的確更加清晰，但如果不作區分而直接把虛擬位址看作線性地址的別名，對你理解核心也不會產生任何影響。

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Linux 核心中邏輯地址/虛擬位址/線性地址三者的區別