浅析Linux 64位系统虚拟地址和物理地址的映射及验证方法

2022-04-11 05:52:53

虚拟内存

先简单介绍一下操作系统中为什么会有虚拟地址和物理地址的区别。因为Linux中有进程的概念，那么每个进程都有自己的独立的地址空间。

现在的操作系统都是64bit的，也就是说如果在用户态的进程中创建一个64位的指针，那么在这个进程中，这个指针能够指向的范围是0~0xFFFFFFFFFFFFFFFF(总共有16个F，每个F是4个bit)。

每个进程“理论上”都有这样的地址范围（-，-这里的”理论“是指猜测一下，指针乱指向未定义的范围会引发段错误，下文中会写明64bit的用户空间的地址范围）。

我们看到了，Linux为了让每个进程空间的独立，创造了虚拟地址这个概念。但是计算机最终还是需要操作物理的内存的。

那么虚拟地址和物理地址的映射关系是怎样的？也只能用映射表了。比如说：进程A虚拟空间中的第0x1234个字节，对应于物理内存中的第0x823ABC个字节。这个一个字节和一个字节对应，理论上是可以的，但是太消耗资源了，为了映射这“一个字节”，仅映射这“一个字节”的表项的大小也远超过了一个字节的大小（大约四十个字节左右）。这是不行的，这就像几十个产品和项目经理去管一个程序员工作，这是效率低下的。

页

所以页这个概念产生了，一个页一个页映射总还可以了吧，我们将页作为最小单位去映射就好了。大多数32位体系结构支持4KB的页，而64位体系结构一般会支持8KB的页。在linux使用命令获取当前系统的页大小：

getconf PAGE_SIZE

在我的ubuntu 16.04 x86_64上的系统得到的结果是 4096。目前大部分64位的系统的页大小都是4096个字节。

系统中每个物理页都会建立一个类似映射表的结构体，但是依然会有人觉得这有点浪费内存。我们来算一下，比如一个物理页的属性和映射表的内容占用40个字节（linux代码中是struct page）。假设如当前大部分Linux上的页为4KB大小，系统有4GB物理内存，那么就有1048576个页，这么多页的映射表消耗的内存是1048576 * 40byte = 40MB。用40MB去管理4GB，还是可以接受的。

64位系统的虚拟内存布局

在AArch64下，页大小为4KB时，页管理为四级架构时的Linux的进程中的虚拟内存布局如下：

可以看到即使是虚拟地址，用户态下能用的地址也就只是0 ~ 0000ffffffffffff，不过也有256TB大小了。也就是说每个进程都有自己独立的0 ~ 0000ffffffffffff的地址空间。0x0000ffffffffffff是12个f，也就是48个bit。

每个进程都有自己的虚拟地址到物理地址的映射关系表。Linux内核会根据每个不同的进程去查找表：如进程A的虚拟空间地址K的物理地址是哪个。为了加快查找效率，虚拟内存的地址的不同段映射到了不同的entry上，页管理表有4级的也有3级的。最常用的4级页管理映射表如下：

可以看到[47:0]这48个bits的虚拟地址，被分成了五段，前四段的每一份长度都是9 bits，最后一段是12 bits。

每个9 bits的段都是2^9 = 512，也就是说每个分级段都有512个entry。

最后一段[11:0]，大小是12 bits的即2^12 = 4096，4096就是一个页的大小，所以最后一段是页内偏移（因为映射是以页为单位，所以虚拟地址和物理地址的页内偏移都是一样的）。前四段合在一起就是虚拟页号。

我们举一个48 bit 虚拟地址的例子，这个地址以八进制表示：

003 010 007 413 1056

上面所述的每个Entry的结构体如下：

可以看到物理地址的页号是40 bits，也就是说最多有2^40个物理页，每个页是4096个字节，也就是最多4PB（4096TB）。

虚拟地址到物理地址的验证方法

说了这么多，如何验证上面说的这些是真的。就算推导出物理地址了，那又有啥用呢？

如果你知道共享库和静态库的区别的话，那么就会知道不同的进程如果用了同一个共享库，那么其实这两个不同的进程使用的共享库是指向同一个物理地址！如果能验证这一点，那么从虚拟地址推导到物理地址的方法大体是正确的，以上所述大体也是对的。

借助proc下的maps和pagemap

通过man命令

man proc

可以找到以下条目：

以上我们知道通过/proc/[pid]/maps就能够知道一个进程的虚拟地址。

以上我们知道通过/proc/[pid]/pagemap就能够将一个进程的虚拟地址页转成物理地址页。

测试代码

下面上硬菜。小伙子你要讲武德，你不能闪！

代码如下:

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

size_t virtual_to_physical(pid_t pid, size_t addr)
{
    char str[20];
    sprintf(str, "/proc/%u/pagemap", pid);
    int fd = open(str, O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        printf("open %s failed!\n", str);
        return 0;
    }
    size_t pagesize = getpagesize();
    size_t offset = (addr / pagesize) * sizeof(uint64_t);
    if(lseek(fd, offset, SEEK_SET) < 0)
    {
        printf("lseek() failed!\n");
        close(fd);
        return 0;
    }
    uint64_t info;
    if(read(fd, &info, sizeof(uint64_t)) != sizeof(uint64_t))
    {
        printf("read() failed!\n");
        close(fd);
        return 0;
    }
    if((info & (((uint64_t)1) << 63)) == 0)
    {
        printf("page is not present!\n");
        close(fd);
        return 0;
    }
    size_t frame = info & ((((uint64_t)1) << 55) - 1);
    size_t phy = frame * pagesize + addr % pagesize;
    close(fd);
    printf("The phy frame is 0x%zx\n", frame);
    printf("The phy addr is 0x%zx\n", phy);
    return phy;
}

int main(void)
{
    while(1)
    {
        uint32_t pid;
        uint64_t virtual_addr;
        printf("Please input the pid in dec:");
	scanf("%u", &pid);
        printf("Please input the virtual address in hex:");
	scanf("%zx", &virtual_addr);
	printf("pid = %u and virtual addr = 0x%zx\n", pid, virtual_addr);
        virtual_to_physical(pid, virtual_addr);
    }
    return 0;
}

首先，我编译一下！

gcc test.c -o haha

然后，我拷贝一下！

cp haha hahatest1; cp haha hahatest2; cp haha hahamonitor

接着，我运行一下！

nohup  ./hahatest1 &
[1] 3943
nohup  ./hahatest2 &
[2] 3944
sudo ./hahamonitor

这里你可能已经发现我的意图了，我是用进程hahamonitor查看进程hahatest1和进程hahatest2的内存地址。

但是你不能大意，运行hahamonitor 一定要加sudo或者root权限，不然读出来就都是0了。

先看看hahatest1和hahatest2进程的地址空间：

zbf@zbf:~$ cat /proc/3943/maps 
00400000-00401000 r-xp 00000000 08:06 11150436                           /home/zbf/physic_virtual_memory/hahatest1
00600000-00601000 r--p 00000000 08:06 11150436                           /home/zbf/physic_virtual_memory/hahatest1
00601000-00602000 rw-p 00001000 08:06 11150436                           /home/zbf/physic_virtual_memory/hahatest1
011ad000-011cf000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]
7ffbf1b64000-7ffbf1d24000 r-xp 00000000 08:06 20714662                   /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
7ffbf1d24000-7ffbf1f24000 ---p 001c0000 08:06 20714662                   /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
7ffbf1f24000-7ffbf1f28000 r--p 001c0000 08:06 20714662                   /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
7ffbf1f28000-7ffbf1f2a000 rw-p 001c4000 08:06 20714662                   /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
7ffbf1f2a000-7ffbf1f2e000 rw-p 00000000 00:00 0 
7ffbf1f2e000-7ffbf1f54000 r-xp 00000000 08:06 20714659                   /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
7ffbf2133000-7ffbf2136000 rw-p 00000000 00:00 0 
7ffbf2153000-7ffbf2154000 r--p 00025000 08:06 20714659                   /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
7ffbf2154000-7ffbf2155000 rw-p 00026000 08:06 20714659                   /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
7ffbf2155000-7ffbf2156000 rw-p 00000000 00:00 0 
7ffd2529f000-7ffd252c0000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffd25302000-7ffd25305000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffd25305000-7ffd25307000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 r-xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]

zbf@zbf:~$ cat /proc/3944/maps 
00400000-00401000 r-xp 00000000 08:06 11150444                           /home/zbf/physic_virtual_memory/hahatest2
00600000-00601000 r--p 00000000 08:06 11150444                           /home/zbf/physic_virtual_memory/hahatest2
00601000-00602000 rw-p 00001000 08:06 11150444                           /home/zbf/physic_virtual_memory/hahatest2
01e8b000-01ead000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]
7fe786964000-7fe786b24000 r-xp 00000000 08:06 20714662                   /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
7fe786b24000-7fe786d24000 ---p 001c0000 08:06 20714662                   /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
7fe786d24000-7fe786d28000 r--p 001c0000 08:06 20714662                   /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
7fe786d28000-7fe786d2a000 rw-p 001c4000 08:06 20714662                   /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
7fe786d2a000-7fe786d2e000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fe786d2e000-7fe786d54000 r-xp 00000000 08:06 20714659                   /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
7fe786f33000-7fe786f36000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fe786f53000-7fe786f54000 r--p 00025000 08:06 20714659                   /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
7fe786f54000-7fe786f55000 rw-p 00026000 08:06 20714659                   /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
7fe786f55000-7fe786f56000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fffd3388000-7fffd33a9000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7fffd33ce000-7fffd33d1000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7fffd33d1000-7fffd33d3000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 r-xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]

可以看到这两个进程都链接了/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so这个动态库，在进程3943（hahatest1）中的虚拟地址是：7ffbf1b64000，但在进程3944中的虚拟地址是：7fe786964000

我们用hahamonitor康康它们的最终的物理地址都是什么？

zbf@zbf:~/$ sudo ./hahamonitor 
Please input the pid in dec:3943
Please input the virtual address in hex:7ffbf1b64000
pid = 3943 and virtual addr = 0x7ffbf1b64000
The phy frame is 0x12ee58
The phy addr is 0x12ee58000

Please input the pid in dec:3944
Please input the virtual address in hex:7fe786964000
pid = 3944 and virtual addr = 0x7fe786964000
The phy frame is 0x12ee58
The phy addr is 0x12ee58000

可以看到物理地址是一样的，都是0x12ee58000。另外我也实验过这两个进程对应的堆栈的物理地址都是不一样的，这就对了！

有兴趣的朋友可以自行下载代码跑一下。

参考资料: