之前的章節(jié)中了解了邏輯地址通過分段到線性地址的轉換，線性地址通過分頁到物理地址的轉換,，在這個章節(jié)講以linux的一個內(nèi)存尋址將之前的知識寫成一個完整的例子,。在學習的過程中,，學習的知識不是很重要，我了解一個知識,，我喜歡先學習使用方式,，然后學習理論知識，最后我會完整的將學習的理論知識將知識應用到實際中,，驗證理論知識的正確性,。

這個章節(jié)很長，首先提供一個邏輯地址(虛擬地址)如何從分段機制中得到線性地址,，然后線性地址如何映射到真正的物理地址,，最后處理器通過這個物理地址進行尋址。而且我們會區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間的尋址,。我們提供一個虛擬地址 0xffffffff81bd6b60,。那么，處理器是如何找到對應在物理內(nèi)存中的地址呢,？下面就讓我們慢慢揭開這個面紗,。

這個章節(jié)基于x86_64架構的處理器運行。

邏輯地址轉換為線性地址

其實,，在之前的知識中我們知道在x86_64架構,，處理器已經(jīng)弱化了段寄存器的地位，通常我們訪問的虛擬地址都被處理器轉換為相同的物理地址,，但在操作系統(tǒng)的實現(xiàn)中,，仍然需要提供段描述符。如果需要尋址一個代碼數(shù)據(jù),，那么在處理器默認使用的是 CS 段寄存器,，我們看看 `CS`的內(nèi)容

我們將這個數(shù)據(jù)解析成處理器理解的數(shù)據(jù)結構：

(gdb) gdt-tool print-selector 0x10Index:                                                                 0x2Table indicator(TI):                                                   0x0Requested Privilege Level(RPL):                                        0x0

`Table indicator(TI)`說明代碼段寄存器使用的是GDT描述符表，RPL為0,，查找在GDT描述表的索引位置為2,，實際上，處理器將這個索引乘以8,，得到的是16,，處理器將從這個位置獲取8個字節(jié)的代碼段描述符。

下面我們詳細查看一下Linux系統(tǒng)中段描述符表的數(shù)據(jù)內(nèi)容,。這里我們使用的qemu模擬處理器的運行,，得到gdt地址，將這個地址的128字符輸出成二進制

這一串慕名奇妙的二進制數(shù)據(jù)表示什么意思吶（在計算機中本質上就是二進制,，但上下文賦予了這些數(shù)據(jù)不同的含義）,。按照Intel文檔中對段描述符表進行解析后

在`x86_64` 架構體系中，Linux使用了16個段描述符,，第一個位空描述符,，這個是Intel要求的,，后面的描述符就是Linux系統(tǒng)本身的設計需要了，我們在上文中知道代碼段寄存器(CS)選擇子的索引值為2,，索引處理器在此應用是是 GDT_ENTRY_KERNEL_CS 段描述符

GDT_ENTRY_KERNEL_CS [2]:          {limit = 0xffffffff, base = 0x00000000, type = 0x0b, s = 0x1, dpl = 0x0, p = 0x1, avl = 0x0, l = 0x1, d = 0x0, g = 0x1}

由于這個段描述符中S被置位,，所以這個段是代碼段或數(shù)據(jù)段，根據(jù)代碼段和數(shù)據(jù)段類型表

在這里Type的二進制為 1011,，可以知道 CS 段選擇子訪問的是一個代碼段,，可執(zhí)行可讀可訪問的段，也就是我們所說的代碼,。有于段選擇子的RPL為0,，而段描述符中的DPL也是0，也就是說有權限訪問,。由于標志L被置位了，說明這個段執(zhí)行的是64位模式代碼,。同時P位也被置位了,，說明訪問的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中。在這里由于G被置位,，說明段大小為4G,，基址為0，說明Linux采用的是平坦模式,，邏輯地址（虛擬地址）等于線性地址,，雖然這里提供了limit，但在64位模式下的CPU通常會忽略段大小校驗,。

所以經(jīng)過分段地址轉換,，我們計算出了訪問內(nèi)存的線性地址，在開始計算分頁轉換前,，我們先將線性地址轉換為各個分頁的分級索引,。假設將虛擬地址 0xffffffff81bd6b60，在開始這個分割之前,，我們先了解一下Linux的虛擬內(nèi)存地址布局

從這個虛擬地址,，從內(nèi)存布局中知道這個地址是一個存放內(nèi)核代碼的地址，內(nèi)核將內(nèi)核代碼映射到虛擬內(nèi)存 0xffffffff80000000 開始的2G空間,。另外我們還需注意 0xffff888000000000 開始的虛擬地址空間,，這個虛擬地址空間大小為119.5G，用于直連映射到物理地址,，這個機制為我們后續(xù)的分析提供了一些便利設施,。比如我們想訪問物理地址為 0x1000000，那么我們直接通過虛擬地址 0xffff888001000000 訪問內(nèi)存即可,。

另外還需要注意的是,，Intel的處理器已經(jīng)支持5級分頁,，支持更大的內(nèi)存空間，但在這里我們的模擬環(huán)境只是一個4級分頁的模擬處理器而已,。

那么,，進入正題，我們?nèi)绾螌⑻摂M地址 0xffffffff81bd6b60 劃分為各級分頁的索引呢,，64位系統(tǒng)支持4K,，2M，1G的內(nèi)存分頁,，這個地址是處在分頁大小是多少的內(nèi)存空間呢,，我們現(xiàn)在并不知道這個地址是處在分頁大小為多少的空間，我們先按照4K的分頁換分分頁索引,。將之前64位4K的索引處理重新看一下,，在Linux的劃分如下

47-------38 39-------30 29-------21 20-------12 11-------0    PDG          PUD        PMD         PTE        offset

這是一個支持4級映射的劃分，在Linux頁支持5級分頁,，第五級分頁叫做p4d,，這里我們忽略。我么按照這個規(guī)則處理后如下,，

通過使用GDB查找cr3寄存器的物理地址,，我們知道 CR3 寄存器中存放了第一個PGD的物理地址

(gdb) info registers cr3cr3            0x2610000           [ PDBR=1 PCID=0 ]

我們需要將 CR3`的低12位屏蔽，得到了地址 `0x2610000,，這個地址就是PDG表的存放位置,，PGD表是存放PDG項的內(nèi)存空間，是一個每項為8個字節(jié)的數(shù)組,，如果想訪問這個地址在保護模式下,，我們是無法直接使用物理地址訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)的，但前面說到`0xffff888000000000` 開始的虛擬地址空間映射到物理空間,，我們可以根據(jù)這個規(guī)則訪問對應的物理內(nèi)存,，查看物理內(nèi)存中的內(nèi)容。這樣訪問虛擬地址 0xffff888002610000 實際上訪問的就是物理內(nèi)存`0x2610000`的數(shù)據(jù),。

在這里,，我們使用pdg_index加到物理地址上，(pgd_t *) 是一個8字節(jié)的指針,，加上511實際地址為 0xffff888002610000 511 * 8,。由于Intel處理器是小端序，所以這8個字節(jié)的實際數(shù)據(jù)為 0x0000000002615067,。這個數(shù)據(jù)將低12位屏蔽,，得到地址為 0x2615000。這個物理地址就是PUD表的基址。同樣的我們訪問對應的數(shù)據(jù),，根據(jù)索引pud_index獲得PUD項,。

(gdb) x/8bx ((pgd_t *)0xffff888002615000   510)0xffff888002615ff0:     0x63    0x60    0x61    0x02    0x00    0x00    0x00    0x00

這個表項中 PS 沒有被置位，所以這個表項指向PMD表,，這個地址的數(shù)據(jù)獲得對應的PMD表的基址 0x2616000,，根據(jù)pmd_index獲得PMD項

我們根據(jù)這個表項值 0x0000000001a001e3，由于 PS 被置位,，說明這個表指向的是頁大小的位2M的頁,，那么剩下的線性地址的21位作為偏移量，處理器將根據(jù)頁表中的項決定是否有權限訪問等額外的工作,。

0xffffffff81bd6b60 & 0x1fffff = 0x1d6b60

同時這個表項的基址為 0x1a00000,，將基址加上偏移量就是最終的物理地址

最終的結果 0x1bd6b60 就是虛擬地址 0xffffffff81bd6b60 訪問的物理地址為 0x1bd6b60。

寫個一個小工具,，解釋這個過程,，這個工具根據(jù)內(nèi)核地址翻譯成中間的頁表轉換過程

(gdb) hack-tool print-x86_64-gpt 0xffffffff81bd6b60pdg: 0x2615000cr3(pgt) => pud: [cr3: 0x2610000, index: 511] => [pud : 0x2615000]pud => pmd:      [pud: 0x2615000, index: 510] => [pmd : 0x2616000]，? page_size=2G : Falsepud => pmd:      [pmd: 0x2616000, index: 13] => [pa : 0x1bd6b60] | ? page_size=2G : Trueva -> pa:        ffffffff81bd6b60 => 1bd6b60

這兩個例子,，第一個是系統(tǒng)啟動過程中進行斷點調(diào)試的打印結果，第二個是系統(tǒng)已經(jīng)啟動進行斷點調(diào)試的打印結果,，可以看到雖然CR3寄存器不一樣，但相同的內(nèi)核地址映射到相同的物理地址,。CR3寄存器之所以不一樣是因為Linux系統(tǒng)的復制機制,，CR3寄存器通常和進程綁定，一個進程會有自己的頁表,，但系統(tǒng)統(tǒng)一為進程提供了內(nèi)核相同的布局,，我們可以理解為進程雖然有自己的用戶內(nèi)存空間，但使用相同視圖的內(nèi)核空間,。

總結

上文就是一個虛擬地址轉換為物理地址的過程,，在這個過程我們應該意識到分段轉換為線性地址，在64位中,，雖然處理器弱化了段的作用,，但仍提供了使用的方式。處理器也強化了分頁的機制,，分頁為現(xiàn)代操作系統(tǒng)支持虛擬內(nèi)存提供了堅實的基礎,。