Linux物理地址和虛擬地址

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MMU 通過頁表將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，頁表保存了虛擬地址到物理地址的映射信息。不同的進(jìn)程可以有相同的虛擬地址，但它們映射到的物理地址可能不同。

6 {6 L2 R9 ~6 E, ~) f! D; p# C

頁 (Page): 虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存被劃分為相同大小的塊，稱為頁。
$ \5 `6 |# i: X. A3 D常見的頁大小為 4 KB。

頁表 (Page Table): 頁表是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)了虛擬地址與物理地址的映射。
' P- U. p! |6 T6 ^' E
2 s) Q+ l. Y; d0 L頁表示例：
* t1 m1 U: b; I5 a0 ]  \假設(shè)有一個(gè)虛擬地址 0xB8000000，通過頁表，它可能被映射到物理地址 0x12000000。這個(gè)過程是透明的，應(yīng)用程序只需要處理虛擬地址，操作系統(tǒng)和硬件負(fù)責(zé)完成地址轉(zhuǎn)換。
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虛擬地址的應(yīng)用實(shí)例
7 M: ^: {: |% j4 r6 t1 k在應(yīng)用程序中，開發(fā)人員通常只與虛擬地址打交道。以下是一個(gè)簡單的 C 程序示例，演示如何使用虛擬地址訪問內(nèi)存。
9 X$ O# z. R! T- f( K$ i8 T

#include #include  int main() {    int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int));    if (ptr == NULL) {        fprintf(stderr, "內(nèi)存分配失敗！
");        return 1;    }     *ptr = 42;    printf("虛擬地址: %p, 值: %d
$ K- P. G1 y2 C$ b", (void*)ptr, *ptr);     free(ptr);    return 0;}
在這個(gè)示例中，malloc() 函數(shù)分配了一塊內(nèi)存，并返回該內(nèi)存塊的虛擬地址。該地址在程序的虛擬地址空間中有效，指向一個(gè)內(nèi)存位置。通過打印指針 ptr 的值，可以看到虛擬地址。
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物理地址的應(yīng)用實(shí)例
/ N) Z9 W, N% ]8 Y8 v3 a% T+ S8 c; V物理地址的直接使用通常僅限于操作系統(tǒng)內(nèi)核或驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。在內(nèi)核編程中，開發(fā)人員可以通過一些內(nèi)核 API 來獲取物理地址。例如，通過 virt_to_phys() 函數(shù)可以將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。
5 B4 }# O$ P3 H+ `) Q$ y

#include #include #include  int init_module(void) {    void *vaddr;    unsigned long paddr;     vaddr = kmalloc(4096, GFP_KERNEL);    if (!vaddr) {        printk("內(nèi)存分配失敗
");        return -ENOMEM;    }     paddr = virt_to_phys(vaddr);    printk("虛擬地址: %p, 物理地址: %lx
' Y  n+ C" N0 m' X/ y  ^; @1 a", vaddr, paddr);     kfree(vaddr);    return 0;} void cleanup_module(void) {    printk("模塊卸載
");} MODULE_LICENSE("GPL");
7 K7 f5 q8 n8 E- }6 \! f2 ]這個(gè)內(nèi)核模塊分配了一塊內(nèi)存，并將其虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。virt_to_phys() 函數(shù)只在內(nèi)核態(tài)有效，用戶態(tài)程序無法直接調(diào)用。
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) v% X! v, |" w2 {. i# }; w' x
物理地址和虛擬地址的優(yōu)缺點(diǎn)
3 u2 {4 x6 w) I8 ]% y0 y/ `4 m0 g# E虛擬地址的優(yōu)點(diǎn)：

每個(gè)進(jìn)程擁有獨(dú)立的虛擬地址空間，提高了安全性和穩(wěn)定性。

虛擬地址空間可以大于實(shí)際物理內(nèi)存，通過交換技術(shù)（paging），虛擬內(nèi)存可以被分配給更大的地址空間。

* k( n6 ?, R' K8 ?  Q' m) `0 L* B物理地址的優(yōu)點(diǎn)：
1 ?- i% H4 h2 |* K- X) h: W0 V

直接對應(yīng)物理內(nèi)存，訪問速度快，無需經(jīng)過地址轉(zhuǎn)換。

在操作系統(tǒng)內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序中，物理地址通常用于直接訪問硬件資源。
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$ B' W8 q9 V+ [9 `, e物理地址和虛擬地址是 Linux 系統(tǒng)內(nèi)存管理的重要概念。虛擬地址提供了更靈活和安全的內(nèi)存管理方式，使得每個(gè)進(jìn)程擁有獨(dú)立的地址空間。而物理地址則直接映射到實(shí)際的內(nèi)存位置，通常用于內(nèi)核級別的操作。理解這兩個(gè)概念及其應(yīng)用，對于系統(tǒng)編程和操作系統(tǒng)的深入理解非常關(guān)鍵。
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