最近看了本書，突然對於地址空間有些疑惑。在深入理解linux內核中把地址分為三類：邏輯地址（匯編語言中操作數地址或指令的地址，對於80x86的cup，邏輯地址是段+段內偏移地址）、線性地址（也叫虛擬地址）和物理地址。但在Stott Maxwell的《Linux Core Kernel Commentrary》中確是這樣分的：邏輯地址（也叫虛擬地址）、線性地址和物理地址。按照386 CPU總設計師 John Crowford的解釋，虛擬地址是保護模式下段和段內偏移量組成的地址，而邏輯地址就是代碼段內偏移量，或稱進程的邏輯地址。其實對於linux來說，這三種說法都沒錯，由於linux下並不主張將程序分段，而是主張分頁，所以即使是在80x86的體系結構下，段的基地址也是0。因此邏輯地址、線性地址、虛擬地址在linux中其實是相同的。所以對於linux下的elf可執行文件來說，代碼段的起始地址0x08048000既是邏輯地址，也是線性地址也是虛擬地址。
1 x86的物理地址空間布局：
物理地址空間的頂部以下一段空間，被PCI設備的I/O內存映射占據，它們的大小和布局由PCI規范所決定。640K~1M這段地址空間被BIOS和VGA適配器所占據。
Linux系統在初始化時，會根據實際的物理內存的大小，為每個物理頁面創建一個page對象，所有的page對象構成一個mem_map數組。
進一步，針對不同的用途，Linux內核將所有的物理頁面划分到3類內存管理區中，如圖，分別為ZONE_DMA，ZONE_NORMAL，ZONE_HIGHMEM。
ZONE_DMA的范圍是0~16M，該區域的物理頁面專門供I/O設備的DMA使用。之所以需要單獨管理DMA的物理頁面，是因為DMA使用物理地址訪問內存，不經過MMU，並且需要連續的緩沖區，所以為了能夠提供物理上連續的緩沖區，必須從物理地址空間專門划分一段區域用於DMA。
ZONE_NORMAL的范圍是16M~896M，該區域的物理頁面是內核能夠直接使用的。
ZONE_HIGHMEM的范圍是896M~結束，該區域即為高端內存，內核不能直接使用。
2 linux虛擬地址內核空間分布
在kernel image下面有16M的內核空間用於DMA操作。位於內核空間高端的128M地址主要由3部分組成，分別為vmalloc area，持久化內核映射區，臨時內核映射區。
由於ZONE_NORMAL和內核線性空間存在直接映射關系，所以內核會將頻繁使用的數據如kernel代碼、GDT、IDT、PGD、mem_map數組等放在ZONE_NORMAL里。而將用戶數據、頁表(PT)等不常用數據放在ZONE_ HIGHMEM里，只在要訪問這些數據時才建立映射關系(kmap())。比如，當內核要訪問I/O設備存儲空間時，就使用ioremap()將位於物理地址高端的mmio區內存映射到內核空間的vmalloc area中，在使用完之后便斷開映射關系。 上面描述默認都是32位的機器，對於64位的機器，PAGE_OFFSET為0x0xffff880000000000，用戶地址空間范圍：0x0000000000000000 - 0x00007fffffffffff，內核代碼地址空間：0xffffffff80000000 - 0xffffffffa0000000。
3 linux虛擬地址用戶空間分布
用戶進程的代碼區一般從虛擬地址空間的0x08048000開始，這是為了便於檢查空指針。代碼區之上便是數據區，未初始化數據區，堆區，棧區，以及參數、全局環境變量。
4 linux虛擬地址與物理地址映射的關系
Linux將4G的線性地址空間分為2部分，0~3G為user space，3G~4G為kernel space。
由於開啟了分頁機制，內核想要訪問物理地址空間的話，必須先建立映射關系，然后通過虛擬地址來訪問。為了能夠訪問所有的物理地址空間，就要將全部物理地址空間映射到1G的內核線性空間中，這顯然不可能。於是，內核將0~896M的物理地址空間一對一映射到自己的線性地址空間中，這樣它便可以隨時訪問ZONE_DMA和ZONE_NORMAL里的物理頁面；此時內核剩下的128M線性地址空間不足以完全映射所有的ZONE_HIGHMEM，Linux采取了動態映射的方法，即按需的將ZONE_HIGHMEM里的物理頁面映射到kernel space的最后128M線性地址空間里，使用完之后釋放映射關系，以供其它物理頁面映射。雖然這樣存在效率的問題，但是內核畢竟可以正常的訪問所有的物理地址空間了。
5 linux中可執行程序與虛擬地址空間的映射關系
虛擬內存區域（VMA，Virtual Memory Area）是Linux中進程虛擬地址空間中的一個段，在Windows里面叫虛擬段。當操作系統創建線程后，會在進程相應的數據結構中設置一個.text段的VMA，它在虛擬空間中的地址為0x08048000~0x08049000，它對應ELF文件中的偏移為0的.text。可以查看操作系統為運行的進程維護的信息：
從上面的圖可以看出，虛擬空間地址為0x08048000~0x08049000的VMA映射為elf文件中的一個段（segment），並且是按整頁進行映射的。
由於linux下的ELF可執行文件會有很多個段（section），所以如果把每個section都映射為一個VMA，那么沒有一個頁大小的段（section）也會被映射為一個頁的VMA，這樣就浪費了物理空間，由於不足會用0補充。故elf有一個裝載的段（segment），與前面的段（section）不同，前面的段（section）主要用於鏈接，而段（segment）主要用於裝載進內存。
可以看出段（segment）02包含了很多的段（section），那鏈接器怎樣將段（section）合並到一個段（segment）中的呢？可以通過段（section）的權限來合並，如以代碼段為代表的權限為可讀可執行權限；以數據段和BSS段為代表的權限為可讀可寫的段；以只讀數據為代表的權限為只讀權限。
ELF與Linux進程虛擬空間映射關系如下圖所示：
即使把多個段（section）合並到幾個段（segment），每個段（segment）還是又很能產生較大的頁內碎片，怎樣解決這個問題呢？Unix巧妙的通過各個段（segment）接壤部分共享一個物理頁來解決這個問題。
參考：http://www.cnblogs.com/zszmhd/archive/2012/08/29/2661461.html、深入理解linux內核、Linux Core Kernel Commentrary、程序員的自我修養。