物理地址 vs 逻辑地址：内存世界的“身份证号“与“快递地址“之谜

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zhenglin

2025年11月3日 10:32 本文热度 311

先来个生活比喻：

假如你网购商品📦：

逻辑地址 = 你的小区地址（“幸福花园3栋501”）
物理地址 = GPS坐标（“北纬39.9°，东经116.4°”）
计算机正是通过这种"双地址系统"实现精准内存访问！

一、内存寻址的挑战

程序直接操作物理内存会引发灾难：

// 危险操作：直接写物理地址
*(0x0000FFFF) = 100;  // 可能覆盖操作系统代码！

问题❌：

多程序可能互相覆盖内存（A程序破坏B程序数据）
无法保证内存隔离与安全
程序需知道物理布局才能运行（移植性差）

解决方案：
引入地址空间抽象层，让程序活在"虚拟世界"！

二、逻辑地址：程序眼中的"虚拟世界"

特点：

程序员/编译器看到的地址（如0x401000）
连续的地址空间（从0到最大值）
每个程序独占自己的逻辑地址空间


// C语言代码中的地址都是逻辑地址
int num = 10;
printf("变量地址：%p\n", &num); // 输出类似0x7ffd4a3b2c

逻辑地址空间布局：

三、物理地址：硬件的"真实坐标"

特点：

内存芯片上的实际电路地址（如内存条第5芯片第3行第7列）
由内存总线直接传输的二进制信号
全局唯一且离散分布

关键区别：
逻辑地址是连续的虚拟序列，物理地址是离散的硬件位置！

四、为什么需要双重地址？

四大核心需求：

内存保护：防止程序越界访问（如A程序无法修改B程序数据）
内存扩展：运行比物理内存更大的程序（虚拟内存技术）
程序重定位：相同程序可加载到任意物理位置
简化开发：程序员无需关心物理内存布局

五、地址转换：MMU的魔法

内存管理单元（MMU）负责实时转换：

转换过程详解：

CPU生成逻辑地址（代码中看到的地址）
MMU通过页表/段表查询映射关系
计算得到物理地址（硬件实际位置）
内存控制器访问对应物理位置

六、两种转换机制对比

1. 分段机制（早期方案）

// 段寄存器存储基址
struct Segment {
    uint32_t base;  // 段基址
    uint32_t limit; // 段长度
};


// 转换过程
physical_address = segment.base + logical_address;

缺点：易产生内存碎片

2. 分页机制（现代方案）

页表示例（4KB页）：

七、代码实战：观察地址转换

C程序查看地址：

#include <stdio.h>

int global; // 全局变量（数据段）

int main() {
    int stack = 0; // 栈变量
    int *heap = malloc(sizeof(int)); // 堆变量

    printf("代码段地址：%p\n", main);
    printf("数据段地址：%p\n", &global);
    printf("堆地址：%p\n", heap);
    printf("栈地址：%p\n", &stack);

    free(heap);
    return 0;
}

/* 输出示例：
代码段地址：0x401520  
数据段地址：0x404000  
堆地址：0x1e8b260  
栈地址：0x7ffd4a3b2c  
*/

Python查看内存映射


# Linux查看进程内存映射
$ pmap -x <pid>


# 输出示例：
Address           RSS   Mode   Mapping
0000555555554000 4K r-x--  main    # 代码段
0000555555755000 4K rw---  [heap]  # 堆
00007ffff7a00000 1800K r----  libc.so.6
00007ffff7dd6000 16K rw---  [stack] # 栈