很多人接触Linux的内存管理是从malloc()这个C语言库函数开始，也是从那时开始就知道了虚拟内存的概念。但很多人可能并不知道虚拟地址是如何转换成物理地址的，今天带你搞懂虚拟地址到物理地址的转换过程，这其实也是MMU的工作原理。

1、预备知识

我们知道，在Linux中，每个进程都有自己独立的地址空间，且互不干扰。每个进程的地址空间又分为用户空间和内核空间，但这些地址空间使用的都是虚拟地址，它们和物理地址空间关系是怎样的呢？虚拟地址空间和物理地址空间的关系如下：

对于不同的进程，面对的都是同一个内核，其内核空间的地址对应的物理地址都是一样的，因此进程1和进程2中内核空间都映射到了相同的物理内存PA1上。

而不同进程的用户空间是不一样的，即便相同的虚拟地址，也会被映射到不同的物理地址上。如图中两个进程相同用户空间的地址0x123456分别被映射到了PA2和PA3物理地址上。

那么如何完成上述虚拟地址到物理地址的转换呢？

完成虚拟地址到物理地址的转换，我们需要借助一个硬件——MMU。

MMU: Memory manager unit，内存管理单元，负责将虚拟地址（VA）转为物理地址（PA）。

在介绍MMU是如何将虚拟地址转为物理地址之前，我们需要了解一些内存管理机制。

2、分页机制

在Linux系统上，现在用到的内存管理机制，大部分是分页机制。在分页机制出现之前，还出现过动态分区法、分段机制。

动态分区法是还没用引入虚拟地址之前使用的，使用的都是物理内存，属于非常早期的机制。分段机制则引入了虚拟地址的概念，而分页机制在分段机制后出现，主要解决分段机制内存碎片的问题。本篇以分页机制讲解虚拟地址到物理地址的转换，下面介绍分页机制的一些基本概念。

分页机制的基本概念：

• 分页：将内存划分为固定长度的单元，每个单元就是一页
• 页：对于虚拟地址空间，将地址空间划分为固定大小单元的单元，每个单元称为一页
• 页帧：对于物理地址空间，将地址空间分为固定大小的单元，每个单元称为页帧
• VPN：Virtual Page Number，虚拟页面号
• PFN：Physical Frame Number，物理页帧号

分页管理内存的核心问题就是虚拟地址页到物理地址页帧 的映射关系

3、虚拟地址到物理地址转换过程

虚拟地址和物理地址都被划分了两部分：

虚拟地址由虚拟页面号VPN和虚拟地址偏移VA offset两部分组成。同样，物理地址由物理页帧号PFN和物理地址偏移PA offset两部分组成。

虚拟地址转换成物理地址时，需要将VPN转成PFN。PA offset通常就是VA offset。

所以物理地址 = PFN + VA offset

这里的核心就是VPN到PFN的映射，而VPN到PFN的映射关系是通过页表记录 。就是说，页表存储了VPN和PFN的映射关系，MMU根据VPN，在页表中找到PFN，再把PFN和VA offset相加，就得到了物理地址，从而将虚拟地址转为物理地址。

这里要区分一下，页表存储了VA到PA的映射关系，所以说找到页表就找到了物理地址。但是这个页表是软件提供的，MMU只负责将虚拟地址翻译成物理地址，翻译的依据就是页表，MMU本身不负责创建页表 。所以说，在开启MMU之前，系统就要提前建立好虚拟地址到物理地址的映射关系，然后保存到页表中，这样开启MMU时，MMU才能正确找到对应的物理地址。

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4、页表在哪

页表都存储在物理内存中 ， MMU将虚拟地址转换为物理地址，需要访问物理内存中对应的页表。

实际上，页表通常就是用一个数组来表示。

这里可能会一些疑问：

疑问：放到物理内存，每次转换都要访问内存，速度不慢吗？
答：慢。怎么解决呢？如果有cache是不是就很快了?是的，这块cache就叫TLB。
疑问：都放到物理内存，占用物理内存空间不大吗？
答：大，怎么解决？多级页表+缺页异常！多级页表可以减少内存占用，而通常只需将一级页表存储到物理内存，查找的时候，找不到二级页表，触发一个缺页异常，这时再分配页表，从而节省内存。

关于页表放到物理内存的问题，涉及到cache和其他的一些知识，内容很多且比较复杂，暂时不深究，知道页表是放在内存中的即可。

5、MMU如何知道页表在哪

前面说页表存储在物理内存中，那么MMU怎么知道这个页表在内存中的具体地址呢？

通常CPU会提供一个页表基址寄存器 给操作系统使用，用于给MMU指示页表的基地址。不同处理器架构对应的寄存器也不一样：

x86：CR3（Control Register 3）

ARM-v8：系统寄存器TTBR（Translation Table Base egister）

RISC-V：SATP（Supervisor Address Translation and Protection）

页表基址寄存器存储了第一级页表的基地址 ，通过访问该寄存器，就能知道页表在那个位置。

6、多级页表转换过程

实际使用中，都是用多级页表来存储虚拟地址和物理地址的映射关系，

以二级页表为例（假设是32位系统），其虚拟地址转换为物理地址的过程如图所示：

PGD：Pgea Global Directory，全局页目录，存储了下一级页表的基地址

PTE：Page Table Entrys，页表入口，PTE才是真正存储了物理地址的页表

VA到PA的转换过程 ：

MMU通过访问页表基址寄存器，得到一级页表PGD的基地址，再结合虚拟地址中的PGD index找到了下一级页表PTE的基地址；得到了PTE的基址，再结合虚拟地址中的PTE index找到PFN，然后再和VA相加得到物理地址。

这里需要注意，使用多少级的页表、以及虚拟地址、物理地址的格式、PTE的格式等等，与32系统还是64位系统有关，也与处理器的架构有关，需要根据不同系统、不同处理器架构分析。

但是MMU工作原理都是一样的，不管是二级页表、三级页表还是四级页表，都是通过第一级页表找到第二级页表，通过第二级页表找到第三级页表......最终找到物理地址。只要明白了MMU的工作原理，分析其他的页表也是大同小异。

总结

本文带大家了解了虚拟地址和物理地址的一些概念，以及MMU将虚拟地址转为物理地址的过程，相信通过以上内容，对虚拟地址、物理地址、MMU、多级页表等这些概念都不陌生了。