浅析操作系统中的虚拟地址与物理地址

什么是虚拟地址与物理地址

在操作系统中，虚拟地址与物理地址是指计算机在执行程序时，CPU所看到的地址与实际存在于内存中的地址。

虚拟地址是程序使用的地址空间，是指编译器在编译程序的时候生成的地址空间，每个程序都有自己的虚拟地址空间。

物理地址则是实际在内存中的地址空间，是指计算机硬件所使用的地址空间，操作系统运行时，使用虚拟地址来访问物理地址。

虚拟地址与物理地址的映射

虚拟地址需要通过操作系统的映射机制，将其映射为物理地址，以便访问实际存储的数据。操作系统为此提供了一系列的机制。

1. 分段机制

操作系统通过分段机制将虚拟地址划分为不同的段，每个段对应一个连续的物理地址空间。这些段都是独立的，可以分别进行映射。

1. 分页机制

操作系统通过分页机制将虚拟地址划分为大小相等但并不一定连续的页面，每个页面对应一个物理地址空间。通过分页机制，操作系统可以更加灵活地进行地址映射。

示例一

假设一个程序需要访问虚拟地址为0x0026的数据，该程序所使用的进程的页表中有如下映射信息：

虚拟地址	物理地址
0x0000-0x1FFF	0x4000-0x5FFF
0x2000-0x3FFF	0x6000-0x7FFF
0x4000-0x5FFF	0x8000-0x9FFF
0x6000-0x7FFF	0xA000-0xBFFF

由于0x0026是虚拟地址，需要通过页表映射成物理地址。根据虚拟地址范围表格可知，0x0026属于0x0000-0x1FFF虚拟地址段。

因此需要通过页表查找该虚拟地址对应的物理地址，得到0x0026的物理地址为0x4026。

示例二

假设一个程序需要访问虚拟地址为0xACF2的数据，该程序所使用的进程的页表中有如下映射信息：

虚拟地址	物理地址
0x0000-0x1FFF	0x5000-0x6FFF
0x2000-0x3FFF	0x7000-0x8FFF
0x4000-0x5FFF	0xA000-0xBFFF
0x6000-0x7FFF	0xC000-0xDFFF

由于0xACF2是虚拟地址，需要通过页表映射成物理地址。根据虚拟地址范围表格可知，0xACF2属于0xA000-0xBFFF虚拟地址段。

因此需要通过页表查找该虚拟地址对应的物理地址，得到0xACF2的物理地址为0xBCF2。

结语

虚拟地址与物理地址的映射是操作系统中的核心机制之一，对于理解计算机的工作原理有很大帮助。在实际开发中，需要针对不同的应用场景选择不同的映射机制，在保证系统性能的前提下提供灵活的地址映射支持。