接著上文：MMU如何通過虛擬地址找到物理地址?

5，虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的推導(dǎo) 本文只介紹最普遍的64位地址，四級頁表，每個頁表4k的這種情況。

linux內(nèi)核將一個進程的內(nèi)存映射表建立好之后，在該進程被調(diào)度運行的時候，會將PGD的物理地址放置到MMU的頁表基地址寄存器中，在X86_64架構(gòu)下，該寄存器為CR3，ARM64架構(gòu)下，該寄存器為ttbr0_el1和ttbr1_el1，接下來的尋址過程中，就不需要linux來干預(yù)了，MMU會通過PGD-PUD-PMD-PTE-PAGE-OFFSET這個過程，根據(jù)虛擬地址，找到其對應(yīng)的物理地址。那么這個過程是怎樣的呢？

1）我們首先來拆分一下虛擬地址，以“filemap-addr:0x7fc3d3e4c000為例”，0x7fc3d3e4c000被分為5個部分，其中 ? 0-11bit為頁內(nèi)偏移地址，根據(jù)頁基地址+偏移量找到對應(yīng)的物理內(nèi)存；? 12-20bit為PTE的索引，該索引可以找到物理內(nèi)存頁面的基地址；? 21-29bit為PMD的索引，該索引可以找到PTE的頁基地址；? 30-38bit為PUG的索引，該索引可以找到PMD的頁基地址；? 39-47bit為PGD的索引，該索引可以找到PUD的頁基地址。首先我們使用命令bc來得到0x7fc3d3e4c000的二進制：

我們將該地址按上述規(guī)則拆分一下：PGD索引：11111111，需要左移12bit，得到11111111000，即0x7f8 PUD索引：100001111，需要左移12bit，得到100001111000，即0x878 PMD索引：010011111，需要左移12bit，得到010011111000，0x4f8 PTE索引：001001100，需要左移12bit，得到001001100000，即0x260

注意，PGD,PUD.PMD,PTE的索引都要左移12bit，可以看出來PGD的索引7f8，pud的索引878，PMD的索引4f8，PTE的索引260，都能和vtop給的信息對應(yīng)上。

我們再使用rd命令直接從內(nèi)存中讀取信息看一下：

從這個過程中，我們可以看到MMU有兩個數(shù)據(jù)信息，即PGD的基地址47de000和虛擬地址0x7fc3d3e4c000，MMU通過PGD+0x7f8找到PUD的地址5f7c000，通過PUD+878得到PMD的地址0x5f66000，通過PMD+4f8得到PTE的地址0x5f64000，通過PTE+260得到物理頁面的地址28ba000，本例沒有頁內(nèi)偏移量，索引0x7fc3d3e4c000對應(yīng)的物理地址就是28ba000。2）g-addr:0x4c82f0 轉(zhuǎn)換成二進制

獲取索引：

可以看出PGD和PUD的索引為0，PMD索引為0x10，PTE的索引為0x640，都能和vtop給的信息對應(yīng)上。

在得到頁面的基地址0x1f4ed000后，再加上該變量在頁內(nèi)的偏移量之后0x2f0，得到該變量的物理地址0x1f4ed2f0。使用rd命令直接從內(nèi)存中讀取信息看一下

最后再看一下該變量的值：

與代碼中賦值相同。

【文章福利】小編推薦自己的Linux內(nèi)核技術(shù)交流群:【749907784】整理了一些個人覺得比較好的學(xué)習(xí)書籍、視頻資料共享在群文件里面，有需要的可以自行添加哦?。。。ê曨l教程、電子書、實戰(zhàn)項目及代碼)?

零聲白金VIP體驗卡（含基礎(chǔ)架構(gòu)/高性能存儲/golang/QT/音視頻/Linux內(nèi)核）課程：?

3）stack-addr:0x7ffe03a8ef1c 轉(zhuǎn)換成二進制

獲取索引

可以看出來PGD的索引7f8，pud的索引fc0，PMD的索引0e8，PTE的索引470，都能和vtop給的信息對應(yīng)上。

在得到頁面的基地址0x2940000后，再加上該變量在頁內(nèi)的偏移量之后0xf1c，得到該變量的物理地址2940f1c。使用rd命令直接從內(nèi)存中讀取信息看一下：

4）heap-addr:0x11226f0 最后，我們再看一下堆內(nèi)變量0x11226f0，先轉(zhuǎn)換成二進制：

獲取索引：

可以看出PGD和PUD的索引為0，PMD索引為0x40，PTE的索引為0x910，都能和vtop給的信息對應(yīng)上。

在得到頁面的基地址28b9000后，再加上該變量在頁內(nèi)的偏移量之后0x6f0，得到該變量的物理地址28b96f0。使用rd命令直接從內(nèi)存中讀取信息看一下

最后再看一下物理內(nèi)存中的值：

與代碼中賦值相符。6，內(nèi)存映射 我們在查閱內(nèi)存映射關(guān)系的資料的時候，通常會找到一個這樣一個圖：

這個圖很清楚的表示了PGD,PUD,PMD和PTE的關(guān)系，下面我們把本例中涉及到的地址數(shù)據(jù)填充進去，效果看起來會更直觀和清晰。

7，總結(jié)

總結(jié)起來，一個變量的尋址過程就是，在編譯或運行時被分配虛擬地址和物理內(nèi)存，內(nèi)核為該虛擬地址和物理內(nèi)存的地址以該進程的PGD表為基礎(chǔ)，建立映射關(guān)系，并將PGD的物理地址交給MMU，MMU根據(jù)映射關(guān)系通過虛擬地址找到物理地址，并按照程序的要求讀寫其中的內(nèi)容。

1）編譯和鏈接 在本例中有四種類型的變量：? filemap-addr:0x7fc3d3e4c000 內(nèi)存映射文件虛擬地址 ? g-addr:0x4c82f0 全局變量虛擬地址 ? stack-addr:0x7ffe03a8ef1c 棧內(nèi)變量虛擬地址 ? heap-addr:0x11226f0 堆內(nèi)變量虛擬地址 其中內(nèi)存映射文件的虛擬地址是內(nèi)核執(zhí)行mmap的時候分配的，棧和堆都是在進程創(chuàng)建的時候分配的物理內(nèi)存并指定了虛擬內(nèi)存地址，棧內(nèi)變量和堆內(nèi)變量的虛擬地址就是堆棧的虛擬地址加上偏移量獲得。全局變量的地址是在編譯鏈接的過程中指定的，本例的全局變量沒有初始化，所以放在a.out的bss區(qū)，bss區(qū)的起始虛擬地址為00000000004c82a0：

全局變量g的虛擬地址為：

2）內(nèi)存頁表的建立 在進程創(chuàng)建的時候，內(nèi)核會為a.out的每個section分配物理內(nèi)存，堆棧也要分配物理內(nèi)存，同時根據(jù)為進程創(chuàng)建物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存的映射關(guān)系。最后，把PGD的物理地址放到MMU的頁表基地址寄存器中，剩下的事兒交給MMU?？梢岳斫鉃閺奶摂M內(nèi)存到物理內(nèi)存的轉(zhuǎn)換的逆過程。

3）MMU進行地址轉(zhuǎn)換 從虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的轉(zhuǎn)換是mmu通過頁表映射來實現(xiàn)的，無需操作系統(tǒng)干預(yù)，本文所講的尋址過程是最基礎(chǔ)的虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程，但MMU還會利用tlb來優(yōu)化地址轉(zhuǎn)換的效率，這個不在本文討論的范圍內(nèi)。

8，其他 本文只介紹了最簡單的4級頁表，4k頁面的映射關(guān)系和尋址過程，其實，內(nèi)核的內(nèi)存管理還有更復(fù)雜的映射，比如使用5級頁表，或者每個映射單位為2M或1G的內(nèi)存塊，這些映射方法的索引級數(shù)和各級索引所占的bit位都有所不同。

原文作者：Jeff Labs