逻辑地址、物理地址、线性地址
逻辑地址（Logical Address）
是指由程序产生的与段相关的偏移地址部分。例如，你在进行C语言指针编程中，可以读取指针变量本身值(&操作)，实际上这个值就是逻辑地址，它是相对于你当前进程数据段的地址，不和绝对物理地址相干。只有在Intel实模式下，逻辑地址才和物理地址相等（因为实模式没有分段或分页机制,Cpu不进行自动地址转换）；逻辑也就是在Intel
保护模式下程序执行代码段限长内的偏移地址（假定代码段、数据段如果完全一样）。应用程序员仅需与逻辑地址打交道，而分段和分页机制对您来说是完全透明的，仅由系统编程人员涉及。应用程序员虽然自己可以直接操作内存，那也只能在操作系统给你分配的内存段操作。
如果是程序员，那么逻辑地址对你来说应该是轻而易举就可以理解的。我们在写C代码的时候经常说我们定义的结构体首地址的偏移量，函数的入口偏移量，数组首地址等等。当我们在考究这些概念的时候，其实是相对于你这个程序而言的。并不是对于整个操作系统而言的。也就是说，逻辑地址是相对于你所编译运行的具体的程序（或者叫进程吧，事实上在运行时就是当作一个进程来执行的）而言。你的编译好的程序的入口地址可以看作是首地址，而逻辑地址我们通常可以认为是在这个程序中，编译器为我们分配好的相对于这个首地址的偏移，或者说以这个首地址为起点的一个相对的地址值。
当我们双击一个可执行程序时，就是给操作系统提供了这个程序运行的入口地址。之后shell把可执行文件的地址传入内核。进入内核后，会fork一个新的进程出来，新的进程首先分配相应的内存区域。这里会碰到一个著名的概念叫做Copy
On
Write，即写时复制技术。这里不详细讲述，总之新的进程在fork出来之后，新的进程也就获得了整个的PCB结构，继而会调用exec函数转而去将磁盘中的代码加载到内存区域中。这时候，进程的PCB就被加入到可执行进程的队列中，当CPU调度到这个进程的时候就真正的执行了。
我们大可以把程序运行的入口地址理解为逻辑地址的起始地址，也就是说，一个程序的开始的地址。以及以后用到的程序的相关数据或者代码相对于这个起始地址的位置（这是由编译器事先安排好的），就构成了我们所说的逻辑地址。逻辑地址就是相对于一个具体的程序（事实上是一个进程，即程序真正被运行时的相对地址）而言的。尽管我们这样理解可能有一些细节上的偏差，但是比起网上一些含糊其辞，让人不知所云的描述要好得多，实用得多，等到自己对这个地址有更加深刻的理解的时候，再对上面的理解进行一些补充或者纠正。
逻辑地址产生的历史背景：
追根求源，Intel的8位机8080CPU，数据总线（DB）为8位，地址总线（AB）为16位。那么这个16位地址信息也是要通过8位数据总线来传送，也是要在数据通道中的暂存器，以及在CPU中的寄存器和内存中存放的，但由于AB正好是
DB的整数倍，故不会产生矛盾！
但当上升到16位机后，Intel8086/8088CPU的设计由于当年IC集成技术和外封装及引脚技术的限制，不能超过40个引脚。但又感觉到8位机原来的地址寻址能力2^16＝64KB太少了，但直接增加到16的整数倍即令AB＝32位又是达不到的。故而只能把AB暂时增加4条成为20条。则
2^20＝1MB的寻址能力已经增加了16倍。但此举却造成了AB的20位和DB的16位之间的矛盾，20位地址信息既无法在DB上传送，又无法在16位的CPU寄存器和内存单元中存放。于是应运而生就产生了CPU段结构的原理。
线性地址（Linear Address）
是逻辑地址到物理地址变换之间的中间层。程序代码会产生逻辑地址，或者说是段中的偏移地址，加上相应段的基地址就生成了一个线性地址。如果启用了分页机制，那么线性地址可以再经变换以产生一个物理地址。若没有启用分页机制，那么线性地址直接就是物理地址。Intel
80386的线性地址空间容量为4G（2的32次方即32根地址总线寻址）。
对linux而言，CPU将4GB划分为两个部分，0-3GB为用户空间（也可以叫核外空间），3-4GB为内核空间（也可以叫核内空间）。操作系统相关的代码，即内核部分的代码数据都会映射到内核空间，而用户进程则会映射到用户空间。至于系统是如何将线性地址转换到实际的物理内存上，那是另外的话题了。网上到处可以找到相关文章，我不在此啰嗦。对于X86，无外乎段式管理和页式管理。
物理地址（Physical Address）
是指出现在CPU外部地址总线上的寻址物理内存的地址信号，是地址变换的最终结果地址。如果启用了分页机制，那么线性地址会使用页目录和页表中的项变换成物理地址。如果没有启用分页机制，那么线性地址就直接成为物理地址了。
虚拟内存（Virtual Memory）
是指计算机呈现出要比实际拥有的内存大得多的内存量。因此它允许程序员编制并运行比实际系统拥有的内存大得多的程序。这使得许多大型项目也能够在具有有限内存资源的系统上实现。一个很恰当的比喻是：你不需要很长的轨道就可以让一列火车从上海开到北京。你只需要足够长的铁轨（比如说3公里）就可以完成这个任务。采取的方法是把后面的铁轨立刻铺到火车的前面，只要你的操作足够快并能满足要求，列车就能象在一条完整的轨道上运行。这也就是虚拟内存管理需要完成的任务。在Linux
0.11内核中，给每个程序（进程）都划分了总容量为64MB的虚拟内存空间。因此程序的逻辑地址范围是0x0000000到0x4000000。
有时我们也把逻辑地址称为虚拟地址。因为与虚拟内存空间的概念类似，逻辑地址也是与实际物理内存容量无关的。
逻辑地址与物理地址的“差距”是0xC0000000，是由于虚拟地址->线性地址->物理地址映射正好差这个值。这个值是由操作系统指定的。
虚拟地址到物理地址的转化方法是与体系结构相关的。一般来说有分段、分页两种方式。以现在的x86 cpu为例，分段分页都是支持的。Memory
Mangement
Unit负责从虚拟地址到物理地址的转化。逻辑地址是段标识+段内偏移量的形式，MMU通过查询段表，可以把逻辑地址转化为线性地址。如果cpu没有开启分页功能，那么线性地址就是物理地址；如果cpu开启了分页功能，MMU还需要查询页表来将线性地址转化为物理地址：
逻辑地址
----（段表）---> 线性地址 — （页表）—>
物理地址
不同的逻辑地址可以映射到同一个线性地址上；不同的线性地址也可以映射到同一个物理地址上；所以是多对一的关系。另外，同一个线性地址，在发生换页以后，也可能被重新装载到另外一个物理地址上。所以这种多对一的映射关系也会随时间发生变化。
分割线
一、逻辑地址转线性地址
机器语言指令中出现的内存地址，都是逻辑地址，需要转换成线性地址，再经过MMU(CPU中的内存管理单元)转换成物理地址才能够被访问到。
我们写个最简单的hello world程序，用gccs编译，再反编译后会看到以下指令：
mov 0x80495b0, %eax
这里的内存地址0x80495b0 就是一个逻辑地址，必须加上隐含的DS 数据段的基地址，才能构成线性地址。也就是说0x80495b0 是当前任务的DS数据段内的偏移。
在x86保护模式下，段的信息（段基线性地址、长度、权限等）即段描述符占8个字节，段信息无法直接存放在段寄存器中（段寄存器只有2字节）。Intel的设计是段描述符集中存放在GDT或LDT中，而段寄存器存放的是段描述符在GDT或LDT内的索引值(index)。
Linux中逻辑地址等于线性地址。为什么这么说呢？因为Linux所有的段（用户代码段、用户数据段、内核代码段、内核数据段）的线性地址都是从 0x00000000 开始，长度4G，这样 线性地址=逻辑地址+ 0x00000000，也就是说逻辑地址等于线性地址了。
这样的情况下Linux只用到了GDT，不论是用户任务还是内核任务，都没有用到LDT。GDT的第12和13项段描述符是__KERNEL_CS 和__KERNEL_DS，第14和15项段描述符是 __USER_CS 和__USER_DS。内核任务使用__KERNEL_CS 和__KERNEL_DS，所有的用户任务共用__USER_CS 和__USER_DS，也就是说不需要给每个任务再单独分配段描述符。内核段描述符和用户段描述符虽然起始线性地址和长度都一样，但DPL(描述符特权级)是不一样的。__KERNEL_CS 和__KERNEL_DS 的DPL值为0（最高特权），__USER_CS 和__USER_DS的DPL值为3。
用gdb调试程序的时候，用info reg 显示当前寄存器的值：
cs 0x73 115
ss 0x7b 123
ds 0x7b 123
es 0x7b 123
可以看到ds值为0x7b, 转换成二进制为 00000000 01111011，TI字段值为0,表示使用GDT，GDT索引值为 01111，即十进制15，对应的就是GDT内的__USER_DATA 用户数据段描述符。
从上面可以看到，Linux在x86的分段机制上运行，却通过一个巧妙的方式绕开了分段。
Linux主要以分页的方式实现内存管理。
二、线性地址转物理地址
前面说了Linux中逻辑地址等于线性地址，那么线性地址怎么对应到物理地址呢？这个大家都知道，那就是通过分页机制，具体的说，就是通过页表查找来对应物理地址。
准确的说分页是CPU提供的一种机制，Linux只是根据这种机制的规则，利用它实现了内存管理。
在保护模式下，控制寄存器CR0的最高位PG位控制着分页管理机制是否生效，如果PG=1，分页机制生效，需通过页表查找才能把线性地址转换物理地址。如果PG=0，则分页机制无效，线性地址就直接做为物理地址。
分页的基本原理是把内存划分成大小固定的若干单元，每个单元称为一页（page），每页包含4k字节的地址空间（为简化分析，我们不考虑扩展分页的情况）。这样每一页的起始地址都是4k字节对齐的。为了能转换成物理地址，我们需要给CPU提供当前任务的线性地址转物理地址的查找表，即页表(page table)。注意，为了实现每个任务的平坦的虚拟内存，每个任务都有自己的页目录表和页表。
为了节约页表占用的内存空间，x86将线性地址通过页目录表和页表两级查找转换成物理地址。
32位的线性地址被分成3个部分：
最高10位 Directory 页目录表偏移量，中间10位 Table是页表偏移量，最低12位Offset是物理页内的字节偏移量。
页目录表的大小为4k（刚好是一个页的大小），包含1024项，每个项4字节（32位），项目里存储的内容就是页表的物理地址。如果页目录表中的页表尚未分配，则物理地址填0。
页表的大小也是4k，同样包含1024项，每个项4字节，内容为最终物理页的物理内存起始地址。
每个活动的任务，必须要先分配给它一个页目录表，并把页目录表的物理地址存入cr3寄存器。页表可以提前分配好，也可以在用到的时候再分配。
还是以 mov 0x80495b0, %eax 中的地址为例分析一下线性地址转物理地址的过程。
前面说到Linux中逻辑地址等于线性地址，那么我们要转换的线性地址就是0x80495b0。转换的过程是由CPU自动完成的，Linux所要做的就是准备好转换所需的页目录表和页表（假设已经准备好，给页目录表和页表分配物理内存的过程很复杂，后面再分析）。
内核先将当前任务的页目录表的物理地址填入cr3寄存器。
线性地址 0x80495b0 转换成二进制后是 0000 1000 0000 0100 1001 0101 1011 0000，最高10位0000 1000 00的十进制是32，CPU查看页目录表第32项，里面存放的是页表的物理地址。线性地址中间10位00 0100 1001 的十进制是73，页表的第73项存储的是最终物理页的物理起始地址。物理页基地址加上线性地址中最低12位的偏移量，CPU就找到了线性地址最终对应的物理内存单元。
我们知道Linux中用户进程线性地址能寻址的范围是0 － 3G，那么是不是需要提前先把这3G虚拟内存的页表都建立好呢？一般情况下，物理内存是远远小于3G的，加上同时有很多进程都在运行，根本无法给每个进程提前建立3G的线性地址页表。Linux利用CPU的一个机制解决了这个问题。进程创建后我们可以给页目录表的表项值都填0，CPU在查找页表时，如果表项的内容为0,则会引发一个缺页异常，进程暂停执行，Linux内核这时候可以通过一系列复杂的算法给分配一个物理页，并把物理页的地址填入表项中，进程再恢复执行。当然进程在这个过程中是被蒙蔽的，它自己的感觉还是正常访问到了物理内存。
