虚拟地址_物理地址_逻辑地址_页表_内存映射

1. 虚拟地址和物理地址：

虚拟地址关系到进程的用户空间和内核空间，而物理地址则用来寻址实际可用的内存。

linux用页表来为物理地址分配虚拟地址。

进程的虚拟地址空间，都被内核划分为很多等长的部分，这样的部分成为页。物理内存也划分为同样大小的页。

2. 页表

页表是一种数据结构，用来将虚拟地址空间映射到物理地址空间。

实现两个地址空间关联最容易的方法是使用数组，对虚拟地址空间的每一页都分配一个数组项，同时该数组项指向与之关联的物理地址页。

因为虚拟地址空间的大部分区域没有使用，所以可以使用内存用量少的多级分页模型。

3. 多级分页模型：

为减少页表的大小并忽略不需要的区域，linux把虚拟地址划分为多个部分。

举个例子：

我们将虚拟地址划分为4个部分，这样就需要一个三级的页表。

a. 虚拟地址的第一个部分称为全局页目录(Page Global Directory, PGD) --- PGD 用于索引进程中的一个数组，每个进程有且只有一个PGD，PGD的数组项指向另一些数组的起始地址，这些数组称为中间页目录。

b. 虚拟地址的第二部分称为中间页目录(Page Middle Directory) --- 在通过PGD中的数组找到对应的PMD之后，PMD的数组项也是一个指针，指向下一级数组，即页表或页目录。

c. 虚拟地址的第三部分称为PTE(Page Table Entry, 页表数组) ---PTE 用来索引页表，页表的数组项指向物理内存页。

虚拟内存页和物理内存页之间的映射就此完成，

d. 虚拟地址的最后一部分称为偏移量，它指定了页内部的一个字节位置，每个地址都指向地址空间的某个字节。

页表的特色在于，对虚拟地址空间中不需要的区域，不必创建中间页目录或页表，所以多级页表节省了大量内存。

多级页表的缺点就是每次访问内存时，必须逐级访问多个数组后，才能将虚拟地址转换为物理地址。linux使用下面两种方法来加速该过程：

4. 内存访问加速方法：

a. 使用了MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）。

b. 地址转换中出现最频繁的那些地址，保存到 地址转换后备缓冲器(Translation Lookaside Buffer, TLB)的高速缓存中。这些地址无需访问页表即可从高速缓存中直接获得地址数据。

5. 内存映射：

将任意来源的数据传输到进程的虚拟地址空间中。

用户可以像普通内存一样访问作为映射目标的地址空间区域，但任何修改都会自动传输到数据源。

例如：文件的内容可以映射到内存中，只需读取相应的内存即可访问文件内容，或者向内存写入数据来修改文件的内容。内核会保证任何修改都会自动同步到文件中。

内核在实现设备驱动程序时直接使用了内存映射，外设的I/O可以映射到虚拟地址空间中，对相应内存区域的读写会由系统重定向到设备，从而大大简化了驱动程序的实现。

6. 逻辑地址到线性物理地址的映射：

逻辑地址指的是机器语言指令中，用来指定一个操作数或一条指令的地址。

一种是使用段地址+段内偏移量做逻辑地址。段的描述符保存在GDT（global descriptor table）或者LDT（local descriptor table）中。每个线程有不同的逻辑地址（不同的段地址），再映射到不同的线性物理地址
另一种是使用paging机制。每个线程有相同的逻辑地址，由paging机制将逻辑地址映射到线性物理地址。
Linux倾向于使用paging机制，因为不同机器架构的分段机制不同。
kernel不使用LDT，尽管有一个系统调用允许线程创建自己的LDT。在执行segment-oriented的windows应用时，这个调用是有用的，例如Wine。