Linux物理地址和虚拟地址

电子设计联盟 · 发表于 2024-9-14 12:03:00

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MMU 通过页表将虚拟地址转换为物理地址，页表保存了虚拟地址到物理地址的映射信息。不同的进程可以有相同的虚拟地址，但它们映射到的物理地址可能不同。

页 (Page): 虚拟内存和物理内存被划分为相同大小的块，称为页。
常见的页大小为 4 KB。

页表 (Page Table): 页表是一个数据结构，存储了虚拟地址与物理地址的映射。

页表示例：
假设有一个虚拟地址 0xB8000000，通过页表，它可能被映射到物理地址 0x12000000。这个过程是透明的，应用程序只需要处理虚拟地址，操作系统和硬件负责完成地址转换。
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虚拟地址的应用实例
在应用程序中，开发人员通常只与虚拟地址打交道。以下是一个简单的 C 程序示例，演示如何使用虚拟地址访问内存。

#include #include  int main() { int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int)); if (ptr == NULL) {       fprintf(stderr, "内存分配失败！
");       return 1; }    *ptr = 42; printf("虚拟地址: %p, 值: %d
", (void*)ptr, *ptr);    free(ptr); return 0;}
在这个示例中，malloc() 函数分配了一块内存，并返回该内存块的虚拟地址。该地址在程序的虚拟地址空间中有效，指向一个内存位置。通过打印指针 ptr 的值，可以看到虚拟地址。
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物理地址的应用实例
物理地址的直接使用通常仅限于操作系统内核或驱动程序开发。在内核编程中，开发人员可以通过一些内核 API 来获取物理地址。例如，通过 virt_to_phys() 函数可以将虚拟地址转换为物理地址。

#include #include #include  int init_module(void) { void *vaddr; unsigned long paddr;    vaddr = kmalloc(4096, GFP_KERNEL); if (!vaddr) {       printk("内存分配失败
");       return -ENOMEM; }    paddr = virt_to_phys(vaddr); printk("虚拟地址: %p, 物理地址: %lx
", vaddr, paddr);    kfree(vaddr); return 0;} void cleanup_module(void) { printk("模块卸载
");} MODULE_LICENSE("GPL");
这个内核模块分配了一块内存，并将其虚拟地址转换为物理地址。virt_to_phys() 函数只在内核态有效，用户态程序无法直接调用。
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物理地址和虚拟地址的优缺点
虚拟地址的优点：

每个进程拥有独立的虚拟地址空间，提高了安全性和稳定性。

虚拟地址空间可以大于实际物理内存，通过交换技术（paging），虚拟内存可以被分配给更大的地址空间。

物理地址的优点：

直接对应物理内存，访问速度快，无需经过地址转换。

在操作系统内核和驱动程序中，物理地址通常用于直接访问硬件资源。

物理地址和虚拟地址是 Linux 系统内存管理的重要概念。虚拟地址提供了更灵活和安全的内存管理方式，使得每个进程拥有独立的地址空间。而物理地址则直接映射到实际的内存位置，通常用于内核级别的操作。理解这两个概念及其应用，对于系统编程和操作系统的深入理解非常关键。

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