Linux 下的虛擬位址與實體位址：概念、轉換與應用

在 Linux 系統中，記憶體管理是一個非常重要的主題，它涉及程式的運作、效能和安全性等方面。記憶體管理的一個核心概念是虛擬位址和實體位址，它們分別表示程式的邏輯視圖和記憶體的實際佈局。虛擬位址和實體位址之間的轉換是記憶體管理的關鍵過程，它可以讓程式更好地利用記憶體資源，提高記憶體的存取效率和保護性。但是，你真的了解虛擬地址和實體地址嗎？你知道它們的定義、特徵和差異嗎？你知道如何在 Linux 下進行虛擬位址和實體位址之間的轉換嗎？本文將為你詳細介紹 Linux 下的虛擬位址和實體位址的相關知識，讓你在 Linux 下更能運用和理解這兩種記憶體位址。

#應用程式只能提供一個虛擬位址，也可以透過以下方法取得實體位址，當然得呼叫驅動。

Linux採用頁表的概念來管理虛擬空間，核心在處理虛擬位址時都必須將其轉換為實體位址，然後處理器才能夠存取。虛擬位址可以透過Linux的頁表操作巨集逐層查找到實體位址，簡單來說需要將虛擬位址分段，每段位址都作為索引指向頁表，最後一層頁表指向實體位址。
Linux在2.6.11以後版本為了相容各種處理器，採用四級頁表結構：
 PGD：Page Global Directory，頁全域目錄，是頂層頁表。
 PUD：Page Upper Directory，頁上級目錄，是第二級頁表
 PMD：Page Middle Derectory，頁中間目錄，為第三級頁表。
 PTE：Page Table Entry，頁表，最後一層頁表，指向實體頁。
可以透過資料結構mm_struct存取PGD找到實體頁面，如圖4-8，根據頁表尋找實體位址的流程見4-9。

圖 Linux採用的4級頁面

簡化的轉換程式碼如下：

 static int vir2phy(unsigned long va) 
 {   
 struct task_struct *pcb_tmp;   
 pcb_tmp = current;   
 pgd_tmp = pgd_offset(pcb_tmp->mm,va);   
 pud_tmp = pud_offset(pgd_tmp,va);   
 pmd_tmp = pmd_offset(pud_tmp,va);   
 pte_tmp = pte_offset_kernel(pmd_tmp,va);   
 pa = (pte_val(*pte_tmp) & PAGE_MASK) |(va & ~PAGE_MASK);   
 return pa; 
 }

pgd_offset(mm, addr) 接收記憶體描述符位址mm和線性位址addr作為參數。這個巨集產生位址addr在頁全域目錄中對應表項的線性位址；
透過記憶體描述符mm內的一個指標可以找到這個頁全域目錄。

pud_offset(pgd, addr) 參數為指向頁全域目錄項目的指標pgd和線性位址addr。這個巨集產生頁上級目錄中目錄項addr對應的線性位址。在兩級或三級分頁系統中，此巨集產生pgd，即一個頁全域目錄項目的位址。

pmd_offset(pud, addr) 接收指向頁上級目錄項目的指標pud和線性位址addr作為參數。這個巨集產生目錄項addr在頁中間目錄中的偏移位址。在兩級或三級分頁系統中，它產生pud，即頁全域目錄項目的位址。

pte_offset_kernel(dir, addr) 線性位址addr在頁中間目錄dir中有一個對應的項，該巨集產生這個對應項，即頁表的線性位址。另外，該巨集只在主核心頁表上使用。

透過本文，你應該對 Linux 下的虛擬位址和實體位址有了一個深入的了解，知道了它們的定義、特點和差異。你也應該明白了虛擬位址和實體位址之間的轉換的原理、方法和作用，以及如何在 Linux 下正確地進行虛擬位址和實體位址之間的轉換。我們建議你在使用 Linux 系統時，使用虛擬位址來編寫和執行程序，以提高程式的可攜性和安全性。同時，我們也提醒你在使用 Linux 系統時，注意一些潛在的問題和挑戰，如記憶體碎片、記憶體洩漏、記憶體映射等。希望這篇文章能幫助你更好地使用 Linux 系統，讓你在 Linux 下享受虛擬位址和實體位址的優勢和便利性。

以上是Linux 下的虛擬位址與實體位址：概念、轉換與應用的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！