x86 Linux虚拟地址转物理地址

在x86架构的Linux系统中，虚拟地址到物理地址的转换依赖于分页机制。以下是详细的转换步骤和注意事项：

转换原理

  1. 分页结构：

    • x86使用多级页表（通常为四级：PGD、PUD、PMD、PTE）将虚拟地址映射到物理地址。
    • 虚拟地址被划分为多个索引字段，用于遍历各级页表，最终得到物理页框号（PFN）和页内偏移。

  2. 地址划分（以64位系统为例）：

    • 虚拟地址划分为：PGD索引、PUD索引、PMD索引、PTE索引、页内偏移。
    • 每级页表项指向下一级表的基地址，最后一级页表项提供PFN。

用户态转换方法

通过读取/proc/[pid]/pagemap文件获取物理地址：

  1. 计算条目位置：

    • 虚拟地址的页帧号为virt_addr / PAGE_SIZE。
    • 在pagemap中，每个条目占8字节，偏移量为(virt_addr / PAGE_SIZE) * 8。

  2. 读取并解析条目：

    • 检查第63位（页面是否存在于物理内存）。
    • 提取0-54位作为PFN，计算物理地址：物理地址 = PFN * PAGE_SIZE + 页内偏移。

示例代码：

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

#define PAGE_SIZE 4096
#define PFN_MASK ((((uint64_t)1) << 55) - 1)

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s virtual_address\n", argv[0]);
        return 1;
    }

    uintptr_t virt_addr = strtoul(argv[1], NULL, 0);
    off_t offset = (virt_addr / PAGE_SIZE) * sizeof(uint64_t);

    int fd = open("/proc/self/pagemap", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    if (lseek(fd, offset, SEEK_SET) == -1) {
        perror("lseek");
        close(fd);
        return 1;
    }

    uint64_t entry;
    if (read(fd, &entry, sizeof(entry)) != sizeof(entry)) {
        perror("read");
        close(fd);
        return 1;
    }

    close(fd);

    if ((entry & (1ULL << 63)) == 0) {
        printf("Page not present in physical memory.\n");
        return 1;
    }

    uint64_t pfn = entry & PFN_MASK;
    uintptr_t phys_addr = (pfn * PAGE_SIZE) + (virt_addr % PAGE_SIZE);

    printf("Virtual: 0x%lx → Physical: 0x%lx\n", virt_addr, phys_addr);
    return 0;
}

内核态转换方法

在内核模块中直接遍历页表：

  1. 获取页表项：
    • 使用pgd_offset()、p4d_offset()、pud_offset()、pmd_offset()、pte_offset_map()逐级查找。
    • 从PTE中提取PFN。

示例代码片段：

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#include <linux/mm.h>
#include <linux/module.h>

void get_phys_addr(unsigned long virt_addr) {
    pgd_t *pgd;
    p4d_t *p4d;
    pud_t *pud;
    pmd_t *pmd;
    pte_t *pte;
    struct mm_struct *mm = current->mm;

    pgd = pgd_offset(mm, virt_addr);
    if (pgd_none(*pgd) || pgd_bad(*pgd)) return;

    p4d = p4d_offset(pgd, virt_addr);
    if (p4d_none(*p4d) || p4d_bad(*p4d)) return;

    pud = pud_offset(p4d, virt_addr);
    if (pud_none(*pud) || pud_bad(*pud)) return;

    pmd = pmd_offset(pud, virt_addr);
    if (pmd_none(*pmd) || pmd_bad(*pmd)) return;

    pte = pte_offset_map(pmd, virt_addr);
    if (!pte_present(*pte)) return;

    unsigned long pfn = pte_pfn(*pte);
    unsigned long phys_addr = (pfn << PAGE_SHIFT) | (virt_addr & ~PAGE_MASK);

    printk("Physical address: 0x%lx\n", phys_addr);
    pte_unmap(pte);
}

注意事项

  1. 权限要求：

    • 用户态程序需以root权限运行，且内核需启用CONFIG_PROC_PAGE_MONITOR。

  2. 大页（Huge Pages）：

    • 大页会减少页表层级，需检查PMD或PUD层级的大页标志（pmd_huge()或pud_huge()）。

  3. 页面状态：

    • 页面可能被换出（不在物理内存），需检查存在位。

  4. 地址空间：

    • 用户态方法仅适用于用户空间地址，内核地址需在内核态处理。

总结

  • 用户态：通过/proc/self/pagemap解析PFN，结合偏移计算物理地址。
  • 内核态：遍历页表结构，逐级获取PFN。
  • 工具辅助：使用gdb、QEMU调试或内核工具（如crash）直接查看映射。