Linux中虚拟地址与线性地址的区别及原理简介 (linux 虚拟地址 线性地址)

在操作系统中，地址管理是非常重要的一部分。Linux系统也不例外。在Linux系统中，每一个进程都是有自己的虚拟地址空间的。虚拟地址和线性地址是两个非常重要的概念。虚拟地址是进程所见到的地址，而线性地址是真实的物理地址。本文将详细介绍Linux中虚拟地址与线性地址的区别及原理。

一、 基本概念

1. 物理地址

物理地址是指CPU通过总线发送出去的地址，它描述的是真实的内存地址空间。它是由硬件提供的，是用于表示物理内存地址的。

2. 线性地址

线性地址是在操作系统中使用的地址，也可以称之为虚拟地址。它是由操作系统提供，对于进程来说是唯一且私有的地址空间，可以被分配、映射、保护等。在x86架构下，我们通常使用CR3寄存器来存储当前进程的页目录表的物理地址，通过线性地址和页表映射，最终得到物理地址。

3. 虚拟地址

虚拟地址是进程中使用的地址，它存在于应用程序的虚拟地址空间中。当应用程序访问该地址时，操作系统会将虚拟地址翻译成真实的物理地址。虚拟地址空间的大小并不取决于物理内存的大小，而是取决于操作系统的指定。每一个进程都有自己的虚拟地址空间。

二、 虚拟地址和线性地址的关系

虚拟地址到线性地址的转换是由操作系统负责的。它基本上是通过分页机制来实现的。在Linux系统中，每个进程都有一个64位的线性地址空间，可以使用高级语言编写的程序能够使用这个地址空间中的任何一个地址。因为这个地址空间是私有的，所以每个进程都能够使用它的全部地址，不同进程之间的地址不会冲突。

当进程需要访问虚拟地址时，操作系统会根据该虚拟地址所在的页表找到对应的物理地址，然后再读取实际的数据。可以说，虚拟地址是一个看不见的地址，而线性地址则是一个真实的地址。

三、 虚拟地址和线性地址的实现

在Linux系统中，虚拟地址和线性地址的实现主要依靠了x86架构的分页机制。在x86架构下，CPU通过地址总线发送的是线性地址，而真正的存储数据的物理地址被隐藏在该线性地址背后。

为了将虚拟地址转换为线性地址，Linux内核维护了一个叫做页表的数据结构。页表中记录了进程中的虚拟地址和线性地址的映射关系。当进程访问虚拟地址时，操作系统会根据该虚拟地址所在的页表找到对应的线性地址，然后再使用x86分页机制将该线性地址翻译成物理地址。

具体的转换流程如下：

1. CPU将虚拟地址发送给MMU（Memory Management Unit）。

2. MMU通过CR3寄存器中保存的页表地址找到对应的页表。

3. MMU使用虚拟地址中的页表索引查找对应的页目录项，从而找到虚拟地址映射的物理页框号。

4. 然后将物理页框号与虚拟地址中的偏移量相加，得到实际的物理地址。

5. CPU通过总线将真实的物理地址发送给存储器，读取数据。

四、

本文简要介绍了Linux中虚拟地址和线性地址的概念、关系和实现原理。由于虚拟地址的存在，使得在不同的进程中，同样的虚拟地址可以映射到不同的物理地址，保证了每个进程都具有私有的地址空间。而Linux内核使用x86分页机制将虚拟地址转化为实际的物理地址，实现了地址的隔离和保护，确保了操作系统的稳定性和安全性。