Linux 下的虚拟地址和物理地址：概念、转换和应用

在 Linux 系统中，内存管理是一个非常重要的话题，它涉及到程序的运行、性能和安全等方面。内存管理的一个核心概念是虚拟地址和物理地址，它们分别表示程序的逻辑视图和内存的实际布局。虚拟地址和物理地址之间的转换是内存管理的一个关键过程，它可以让程序更好地利用内存资源，提高内存的访问效率和保护性。但是，你真的了解虚拟地址和物理地址吗？你知道它们的定义、特点和区别吗？你知道如何在 Linux 下进行虚拟地址和物理地址之间的转换吗？本文将为你详细介绍 Linux 下的虚拟地址和物理地址的相关知识，让你在 Linux 下更好地使用和理解这两种内存地址。

应用程序只能提供一个虚拟地址，也可以通过如下方法获取物理地址，当然得调用驱动。

Linux采用页表的概念来管理虚拟空间，内核在处理虚拟地址时都必须将其转换为物理地址，然后处理器才能够访问。虚拟地址可以通过Linux的页表操作宏逐层查找到物理地址，简单来说需要将虚拟地址分段，每段地址都作为索引指向页表，最后一级页表指向物理地址。
Linux在2.6.11以后版本为了兼容各种处理器，采用四级页表结构：
 PGD：Page Global Directory，页全局目录，是顶级页表。
 PUD：Page Upper Directory，页上级目录，是第二级页表
 PMD：Page Middle Derectory，页中间目录，是第三级页表。
 PTE：Page Table Entry，页面表，最后一级页表，指向物理页面。
可以通过数据结构mm_struct访问PGD找到物理页面，如图4-8，根据页表寻找物理地址的流程见4-9。

图 Linux采用的4级页面

简化的转换代码如下：

 static int vir2phy(unsigned long va) 
 {   
 struct task_struct *pcb_tmp;   
 pcb_tmp = current;   
 pgd_tmp = pgd_offset(pcb_tmp->mm,va);   
 pud_tmp = pud_offset(pgd_tmp,va);   
 pmd_tmp = pmd_offset(pud_tmp,va);   
 pte_tmp = pte_offset_kernel(pmd_tmp,va);   
 pa = (pte_val(*pte_tmp) & PAGE_MASK) |(va & ~PAGE_MASK);   
 return pa; 
 }

pgd_offset(mm, addr) 接收内存描述符地址mm和线性地址addr作为参数。这个宏产生地址addr在页全局目录中相应表项的线性地址；
通过内存描述符mm内的一个指针可以找到这个页全局目录。

pud_offset(pgd, addr) 参数为指向页全局目录项的指针pgd和线性地址addr。这个宏产生页上级目录中目录项addr对应的线性地址。在两级或三级分页系统中，该宏产生pgd，即一个页全局目录项的地址。

pmd_offset(pud, addr) 接收指向页上级目录项的指针pud和线性地址addr作为参数。这个宏产生目录项addr在页中间目录中的偏移地址。在两级或三级分页系统中，它产生pud，即页全局目录项的地址。

pte_offset_kernel(dir, addr) 线性地址addr在页中间目录dir中有一个对应的项，该宏就产生这个对应项，即页表的线性地址。另外，该宏只在主内核页表上使用。

通过本文，你应该对 Linux 下的虚拟地址和物理地址有了一个深入的了解，知道了它们的定义、特点和区别。你也应该明白了虚拟地址和物理地址之间的转换的原理、方法和作用，以及如何在 Linux 下正确地进行虚拟地址和物理地址之间的转换。我们建议你在使用 Linux 系统时，使用虚拟地址来编写和运行程序，以提高程序的可移植性和安全性。同时，我们也提醒你在使用 Linux 系统时，注意一些潜在的问题和挑战，如内存碎片、内存泄漏、内存映射等。希望本文能够帮助你更好地使用 Linux 系统，让你在 Linux 下享受虚拟地址和物理地址的优势和便利。

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