Linux中的地址空间（小寿转载）

有这么一系列的问题，是否在困扰着你：用户程序编译连接形成的地址空间在什么范围内？内核编译后地址空间在什么范围内？要对外设进行访问，I/O的地址空间又是什么样的？
先回答第一个问题。Linux最常见的可执行文件格式为elf(Executable and Linkable Format)。在elf格式的可执行代码中，ld总是从0x8000000开始安排程序的“代码段”，对每个程序都是这样。至于程序执行时在物理内存中的实际地址，则由内核为其建立内存映射时临时分配，具体地址取决于当时所分配的物理内存页面。
我们可以用Linux的实用程序objdump对你的程序进行反汇编，从而知晓其地址范围。
例如：假定我们有一个简单的C程序Hello.c
  # include
  greeting ( )
  {
              printf(“Hello,world!\n”);
  }
  main()
   {
         greeting();
   }
之所以把这样简单的程序写成两个函数，是为了说明指令的转移过程。我们用gcc和ld对其进行编译和连接，得到可执行代码hello。然后，用Linux的实用程序objdump对其进行反汇编：
$objdump –d hello
得到的主要片段为：
08048568 :
   8048568:     pushl  %ebp
   8048569:     movl  %esp, %ebp
   804856b:     pushl  $0x809404
   8048570:     call    8048474  <_init+0x84>
   8048575:     addl   $0x4, %esp
   8048578:     leave
   8048579:     ret
   804857a:     movl  %esi, %esi
   0804857c

:
   804857c:     pushl  %ebp
   804857d:     movl  %esp, %ebp
   804857f:     call    8048568  
   8048584:     leave
   8048585:     ret
   8048586:     nop
   8048587:     nop

其中，像08048568这样的地址，就是我们常说的虚地址（这个地址实实在在的存在，只不过因为物理地址的存在，显得它是“虚”的罢了）。

.虚拟内存、内核空间和用户空间

   Linux虚拟内存的大小为2^32（在32位的x86机器上），内核将这4G字节的空间分为两部分。最高的1G字节（从虚地址0xC0000000到0xFFFFFFFF）供内核使用，称为“内核空间”。而较低的3G字节（从虚地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为“用户空间”。因为每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核空间由系统内的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟地址空间(也叫虚拟内存)。
   
    每个进程有各自的私有用户空间（0～3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。最高的1GB内核空间则为所有进程以及内核所共享。另外，进程的“用户空间”也叫“地址空间”，在后面的叙述中，我们对这两个术语不再区分。
用户空间不是进程共享的，而是进程隔离的。每个进程最大都可以有3GB的用户空间。一个进程对其中一个地址的访问，与其它进程对于同一地址的访问绝不冲突。比如，一个进程从其用户空间的地址0x1234ABCD处可以读出整数8，而另外一个进程从其用户空间的地址0x1234ABCD处可以读出整数20，这取决于进程自身的逻辑。
任意一个时刻，在一个CPU上只有一个进程在运行。所以对于此CPU来讲，在这一时刻，整个系统只存在一个4GB的虚拟地址空间，这个虚拟地址空间是面向此进程的。当进程发生切换的时候，虚拟地址空间也随着切换。由此可以看出，每个进程都有自己的虚拟地址空间，只有此进程运行的时候，其虚拟地址空间才被运行它的CPU所知。在其它时刻，其虚拟地址空间对于CPU来说，是不可知的。所以尽管每个进程都可以有4 GB的虚拟地址空间，但在CPU眼中，只有一个虚拟地址空间存在。虚拟地址空间的变化，随着进程切换而变化。
从上面我们知道，一个程序编译连接后形成的地址空间是一个虚拟地址空间，但是程序最终还是要运行在物理内存中。因此，应用程序所给出的任何虚地址最终必须被转化为物理地址，所以，虚拟地址空间必须被映射到物理内存空间中，这个映射关系需要通过硬件体系结构所规定的数据结构来建立。这就是我们所说的段描述符表和页表，Linux主要通过页表来进行映射。
于是，我们得出一个结论，如果给出的页表不同，那么CPU将某一虚拟地址空间中的地址转化成的物理地址就会不同。所以我们为每一个进程都建立其页表，将每个进程的虚拟地址空间根据自己的需要映射到物理地址空间上。既然某一时刻在某一CPU上只能有一个进程在运行，那么当进程发生切换的时候，将页表也更换为相应进程的页表，这就可以实现每个进程都有自己的虚拟地址空间而互不影响。所以，在任意时刻，对于一个CPU来说，只需要有当前进程的页表，就可以实现其虚拟地址到物理地址的转化。

.内核空间到物理内存的映射  

   内核空间对所有的进程都是共享的，其中存放的是内核代码和数据，而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据，不管是内核程序还是用户程序，它们被编译和连接以后，所形成的指令和符号地址都是虚地址（参见2.5节中的例子），而不是物理内存中的物理地址。
虽然内核空间占据了每个虚拟空间中的最高1GB字节，但映射到物理内存却总是从最低地址（0x00000000）开始的，如图4.2所示，之所以这么规定，是为了在内核空间与物理内存之间建立简单的线性映射关系。其中，3GB（0xC0000000）就是物理地址与虚拟地址之间的位移量，在Linux代码中就叫做PAGE_OFFSET。
                  
我们来看一下在include/asm/i386/page.h头文件中对内核空间中地址映射的说明及定义：

#define __PAGE_OFFSET           (0xC0000000)
……
#define PAGE_OFFSET             ((unsigned long)__PAGE_OFFSET)
#define __pa(x)                 ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
#define __va(x)                 ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
对于内核空间而言，给定一个虚地址x，其物理地址为“x- PAGE_OFFSET”，给定一个物理地址x，其虚地址为“x+ PAGE_OFFSET”。

这里再次说明，宏__pa()仅仅把一个内核空间的虚地址映射到物理地址，而决不适用于用户空间，用户空间的地址映射要复杂得多，它通过分页机制完成。