Linux 线性地址,逻辑地址和虚拟地址的关系

为了防止歧义,以下术语都用英文。部分术语不做解释了,不然答案就太长了。

以下讲解都是以代码段为例

在 Intel 平台下,逻辑地址(logical address)是 selector:offset 这种形式,selector 是 CS 寄存器的值,offset 是 EIP 寄存器的值。如果用 selector 去 GDT( 全局描述符表 ) 里拿到 segment base address(段基址) 然后加上 offset(段内偏移),这就得到了 linear address。我们把这个过程称作段式内存管理。

如果再把 linear address 切成四段,用前三段分别作为索引去PGD、PMD、Page Table里查表,最终就会得到一个页表项(Page Table Entry),那里面的值就是一页物理内存的起始地址,把它加上 linear address 切分之后第四段的内容(又叫页内偏移)就得到了最终的 physical address。我们把这个过程称作页式内存管理。

问题来了,为什么没提到 virtual address,这是个什么东西?其实在 Intel IA-32 手册里并没有提到这个术语,但是在内核的确是用到了这个概念,比如va和pa这两个宏定义。看似神秘的 virtual address 究其本质就是程序里面使用的地址比如一个指针值,指针的本质就是 EIP 寄存器里的值,说直白点,virtual address 就是 EIP 寄存器的值。你会发现我们上面说过,logical address 由 selector 和 offset 两部分组成,offset 也是 EIP 寄存器的值,所以结论为:logical address 的 offset 正是 virtual address,它俩是一个东西。

既然搞明白了 logical address 和 virtual address 的关系,那么我们再来看下,linear address 和 virtual address 是什么关系。在上面讲到的段式内存管理中,Linux 内核会将 segment base address(段基址)设成 0,于是就有 linear address = 0+offset,又因为 virtual address 就是 offset,所以算出的 linear address在数值上等于 virtual address,注意,是数值上等于,它们之间是差了段基址的,只不过段基址为 0 罢了。

网上很多资料认为逻辑地址是虚拟地址的别名,其实它们不是一个东西。还有很多资料把线性地址当作虚拟地址的别名,其实它们也不是一个东西,只是Linux在x86下将它们搞得数值相等而已,虽然值相等但是本质不同。

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讲到这里,三者之间的关系就讲明白了,最后说下为什么这三个概念会如此混乱。

按照 Intel 的设计,段式内存管理中的段类型分为三种:代码段(上面讲了)、数据段、系统段(TSS之类的),实在是太麻烦了。我们只靠页式内存管理就已经可以完成Linux内核需要的所有功能,根本不需要段映射,但是段映射这玩意儿又关不掉,那就只能上点手段了。于是,Linux内核将所有类型的段的 segment base address 都设成0,段限长都设成最大(具体数值不展开讲了,涉及到段描述符结构,很麻烦,这里理解成地址总线的最大寻址限度即可),那么这样一来所有段都重合了,也就是不分段了,此外由于段限长是地址总线的寻址限度,所以这也相当于所有段跟整个线性空间重合了。虚拟地址本来是在段内的偏移量,现在段就是整个线性空间,所以虚拟地址就成了在整个线性空间内的偏移量,这和线性地址的概念一样,所以内核开发者都已经将虚拟地址和线性地址当作一个东西了。像是 Understand The Linux Kernel 这本书里面为了避免混淆,除了在开头和术语表中引用了 virtual address 这个词组之外,其他地方全是用的 linear address。

看完这个答案,你会发现我们绕了一圈回来,虽然逻辑地址的概念很清晰,但是虚拟地址和线性地址依然可以不作区分,因为区分了也没什么用,内核里这俩概念是通用的。不过,知道点区别还是不至于在某些时候把自己搞晕,尤其是有些书和教程里面这两个词不说缘由就混着用,这很蛋疼。好了,最后结论就是,这两个概念区分开来的确更加清晰,但如果不作区分而直接把虚拟地址看作线性地址的别名,对你理解内核也不会产生任何影响。

2017-5-3 22:27:20