逻辑地址、线性地址、物理地址和虚拟地址

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，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，但是事实上，这只是一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的内存一一对应， 也是可以接受的。也许错误的理解更利于形而上的抽像。 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）的抽像描述。它是相对于物理内存来讲的，可以直接理解成 “不直实的”，“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。 有了这样的抽像，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一下，发现连接器已经为程序分配了一个地址，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 0x08111111 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，“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，示为 [段标识符：段内偏移量]，也就是说，上例中那个 0x08111111，应该表示为[A 的代码段标识符: 0x08111111]，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，因为直接可以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，逻辑地址如何转换为线性地址 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位是一个索引号。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 是把它想像成，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，我刚才对段的抽像不太准确，因为看看描述符里面究竟有什么东东——也就是它究竟是 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： 这些东东很复杂，虽然可以利用一个数据结构来定义它，不过，我这里只关心一样，就是 Base 字段，它描 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，就放在“全局段描述符表(GDT)”中，一些局部的，例如每个进 程自己的，就放在所谓的“局部段描述符表(LDT)”中。那究竟什么时候该用 GDT，什么时候该用 LDT 呢？这是由 段选择符中的 T1 字段表示的，=0，表示用 GDT，=1 表示用 LDT。 GDT 在内存中的地址和大小存放在 CPU 的 gdtr 控制寄存器中，而 LDT 则在 ldtr 寄存器中。 好多概念，像绕口令一样。这张图看起来要直观些： 