前言

📫作者简介：小明java问道之路，专注于研究计算机底层/Java/Liunx 内核，就职于大型金融公司后端高级工程师，擅长交易领域的高安全/可用/并发/性能的架构设计📫 

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本文导读

本文导读

内存在程序、Linux已经计算机中占有重要地位，本文深度解析计算机内存地址的原理，通过编译时的内存原理，深入浅出逐步讲解物理地址、虚拟内存、分段分页原理、线性地址，以及intel 对内存操作和原理解析。

一、内存寻址

1、内存在编译链路的作用

计算机内存，这里面我们说的是 main memory（DRAM）主内存，语言通过 IDE（Integrated Development Environment ）中编写，通过编译器变成 CPU 能工作执行的格式来执行。这些编译好的数据就保存在磁盘上（local disks） ，然后我们用过系统调用告诉操作系统（OS），由操作系统来获取编译好的数据并进行解析，将这些数据从磁盘加载到内存（DRAM） 。编译器就是一个具有前端和后端的整套，将一个语言（源语言）编译为目标语言的工具。

计算机组成原理的一些知识，总线控制总线（CB）、地址总线（AB）、数据总线（DB）CPU位数：CB控制的种类的2^nAB 地址数量的2^nBD一次传输的位数，CPU通过总线来操作内存

2、内存地址

内存要有地址内存的最小寻址单元 1 byte，采用16进制编码地址信息为了避免表示二进制的位数过多。由于对地址进行了编码，所以内存地址存在高低之分（高地址、低地址）。使用16进制给内存中的每个字节编号，这个编号是内存地址。

编译器将代码翻译为目标语言（汇编语言），此时汇编语言的指令，保存在内存上，内存地址是16进制的，每个汇编指令都对应一个16进制的内存地址编号，汇编指令操作外部内存（例如OS内存中的栈内存、堆内存、数据内存、代码段内存，其中数据、代码段内存是静态分配的，堆栈内存是动态分配的，如下图所示，指令流存在于代码段内存中，数据就存在代码段内存中），这个时候CPU控制操作系统分配内存，将指令流通过静态分配保存在内存中。

二、物理地址的缺陷

读者如果对于地址空间的概念感到模糊，可以假定地址空间是Java语言中的一个数组，数组的每一项大小都是一个byte，即8位。用Java语言来描述的话，就是定义

byte memory[] = new byte[4*1024*1024]。

前面我们看到了在8086时代的内存寻址，其实就是通过段寄存器生成20位的地址进行访问，此时访问的地址就是物理地址，这是真实的地址。但是随着时间的推移，到后面我们可以使用的真实物理地址范围从20位到了32位，即4GB的地址空间，再往后面的48位（intel在64位机上的地址总线最大只有48位），我们来看 4GB 的内存空间。

假设有A、B、C，3个程序，各需要占用内存512MB，所以总占用内存就是 3*512=1546MB。同时，操作系统还需要一定占用内存，假定要占用1GB，那么问题来了，如果我们要直接操作物理内存且开发A、B、C程序的是不同开发人员，我们该怎么做?首先，需要清楚A、B、C各占用了哪一段地址空间。假设A占用0512MB，B占用512MB1024MB，C占用1024MB1546MB，操作系统占用最高的3GB4GB，好像直接操作物理地址就可以完成程序的执行了。但是，这样会有很大的问题，具体如下。

1、A、B、C程序和操作系统占用的地址空间不可能一开始就商量好;而且这只是3个程序，如果有更多程序呢，显然这个设想不现实。

2、需要把程序中所有的代码和数据都加载到内存中，比如ELF文件的所有段内容都会被加载（即使应用程序可能根本不需要这些数据，或者写了一个方法不被调用，也需要被加载）

3、如何保证A、B、C程序和操作系统中的程序、数据不会彼此踩踏呢？假设A是个黑客程序，它要修改OS或者其他程序的数据和代码，该如何保证系统安全呢？

正是因为以上问题的存在，人们发现，直接操作物理地址根本是不现实的。

所以，只有在计算机启动时，为了兼容8086，OS 会直接操作物理地址。这种开机直接操作物理地址的模式，被称为实模式，即直接操作8086的那几个段寄存器来生成20位真实物理地址，以完成访存操作。OS完成初始化后，就会进入保护模式下。在保护模式下，引入了虚拟地址的概念。