Linux内存管理图文讲解

逻辑地址、线性地址、物理地址和虚拟地址

一、概念

物理地址(physical address)

用于内存芯片级的单元寻址，和处理器和 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佳理解的一个，不过值得一提的是，虽然能直接把物理地址理解成插

在机器上那根内存本身，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，不过事实上，这只是个硬件提供给软件的抽像，内存的寻址方式并不是这样。所以，说

他是“和地址总线相对应”，是更贴切一些，不过抛开对物理内存寻址方式的考虑，直接把物理地址和物

理的内存一一对应，也是能接受的。也许错误的理解更利于形而上的抽像。

虚拟内存(virtual memory)

这是对整个内存(不要和机器上插那条对上号)的抽像描述。他是相对于物理内存来讲的，能直接理

解成“不直实的”，“假的”内存，例如，一个 0 内存地址，他并不对就物理地址上那个大数

组中 0- 1 那个地址元素；

之所以是这样，是因为现代操作系统都提供了一种内存管理的抽像，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，把他“转换”成真正的物理地址。这个“转换”，是

所有问题讨论的关键。有了这样的抽像，一个程式，就能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)，甚至多个进程能使用相同的地址。不奇怪，因为转换后的物理地址

并非相同的。

能把连接后的程式反编译看一下，发现连接器已为程式分配了一个地址，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

一个操作数或是一条指令的地址。以上例，我们说的连接器为 A 分配的 0这个地址就是逻辑地

址。

不过不好意思，这样说，似乎又违背了 Intel 中段式管理中，对逻辑地址需求，“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 0应该表示为[A 的代码段标识符: 0，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，他也是个不真实的地址，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。

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 要利用其段式内存管理单元，先将为个逻辑地址转换成一个线

程地址，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，因为直接能把线性地址抽像给进程。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，逻辑地址怎么转换为线性地址

一个逻辑地址由两部份组成，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 位是个索引号。后面 3 位包含一些硬件细节，如图：

最后两位涉及权限检查，本贴中不包含。

索引号，或直接理解成数组下标。那他总要对应一个数组吧，他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

是把他想像成，拿了一把刀，把虚拟内存，砍成若干的截段)。这样，非常多个段描述符，就组了一个数

组，叫“段描述符表”，这样，能通过段标识符的前 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，我刚才对段的抽像不太准确，因为看看描述符里面究竟有什么东东也就是他

究竟是怎么描述的，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：

这些东东非常复杂，虽然能利用一个数据结构来定义他，不过，我这里只关心相同，就是 Base 字段，他

描述了一个段的开始位置的线性地址。

Intel 设计的本意是，一些全局的段描述符