如何通过虚拟地址查找物理地址

1 如何通过虚拟地址查找物理地址（原理与代码）

本文说明 虚拟地址（VA）到物理地址（PA） 的映射在 x86-64 Linux 上如何理解与实现，并给出可编译的示例代码。不同架构（ARM、RISC-V）与操作系统模型不同；用户态通常无法任意查任意进程的物理地址，受权限与内核策略限制。

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1.1 先建立概念：谁在翻译 VA？

• CPU 的 MMU 在每次访存时用 页表 把 虚拟页号（VPN） 换成 物理页帧号（PFN），再加上 页内偏移 得到物理地址。
• 操作系统 维护页表；用户进程一般只持有 VA，不持有「可信任的 PA」；内核在需要给设备做 DMA 等场景下会查询或建立 IOVA / 总线地址（有 IOMMU 时 PA 与设备 DMA 地址还可能不一致——见文末说明）。

因此「查 PA」分两类需求：

• 调试 / 教学：在用户态读 /proc/<pid>/pagemap，或在内核里用 virt_to_phys / follow_page。
• DMA / 驱动：应使用内核提供的 dma_map_*、virt_to_bus 等 API，而不是自己手算 PA 给设备（现代内核强约束）。

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1.2 x86-64 四级页表（直觉）

（仅作定位用，细节以 Intel SDM / AMD APM 为准。）

• CR3 指向 PML4；VA 的高 9 位选 PML4E，再依次选 PDPT / PD / PT 表项，最终表项给出 物理页帧基址 + 页内偏移（低 12 位，4KiB 页时）。

物理地址（RAM 帧内） 在经典模型下可写为：

$$\text{PA}=\text{PFN}\times \text{PAGE\_SIZE}+(\text{VA}\mathrm{mod}\text{PAGE\_SIZE})$$

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1.3 方法一：Linux 用户态读取 /proc/self/pagemap（4KiB 页场景）

1.3.1 适用场景

• 调试自己进程的某页是否在内存、PFN 是多少（同一进程最省事）。
• 读其他进程的 pagemap 通常需要 root 或足够 capability；且部分发行版/内核配置会限制信息暴露。

1.3.2 机制

• 内核为每个虚拟页导出一个 64 位 pagemap 项；其中包含 PFN 与 是否在 RAM 等标志。
• 位域随内核版本可能调整，实现前务必阅读你内核自带的 Documentation/admin-guide/mm/pagemap.rst（或等价路径）。

下面代码采用社区常见约定（以你本机文档为准校验）：

• 第 63 位：页是否在 RAM（present）——若你的内核文档与此不一致，以文档为准替换判断。
• 低若干位：PFN（常见掩码为 ((1ULL << 55) - 1) 或与内核 PM_PFRAME_MASK 一致；不同内核 PFN 位宽可能变化）。

1.3.3 示例：将本进程某栈变量所在页的物理基址打印出来

文件：va2pa_pagemap.c

/*
 * 教学示例：通过 /proc/self/pagemap 将用户态 VA 映射到 RAM 的物理帧地址（4KiB 页）。
 * 需要：Linux，x86-64 常见；请先阅读内核 pagemap 文档核对位域。
 *
 * 编译：gcc -O2 -Wall -Wextra -o va2pa_pagemap va2pa_pagemap.c
 * 运行：./va2pa_pagemap
 */
 
#define _GNU_SOURCE
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <inttypes.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
 
#define PAGE_SHIFT 12
#define PAGE_SIZE  (1ul << PAGE_SHIFT)
#define PAGEMAP_ENTRY_SIZE 8
 
/* 与内核文档核对：以下掩码/位号可能随内核变化 */
#define PM_PRESENT (1ULL << 63)
#define PM_PFRAME_MASK ((1ULL << 55) - 1) /* 保守：取低 55 位为 PFN 常见范围 */
 
static int read_pagemap_pfn(uintptr_t va, uint64_t *pfn_out)
{
	char path[64];
	snprintf(path, sizeof(path), "/proc/self/pagemap");
 
	int fd = open(path, O_RDONLY);
	if (fd < 0) {
		perror("open pagemap");
		return -1;
	}
 
	uintptr_t vpn = va / PAGE_SIZE;
	off_t offset = (off_t)(vpn * PAGEMAP_ENTRY_SIZE);
 
	if (lseek(fd, offset, SEEK_SET) != offset) {
		perror("lseek pagemap");
		close(fd);
		return -1;
	}
 
	uint64_t entry;
	ssize_t n = read(fd, &entry, sizeof(entry));
	close(fd);
 
	if (n != (ssize_t)sizeof(entry)) {
		fprintf(stderr, "short read pagemap\n");
		return -1;
	}
 
	if (!(entry & PM_PRESENT)) {
		fprintf(stderr, "page not present in RAM (swapped out or unmapped)\n");
		return 1;
	}
 
	*pfn_out = entry & PM_PFRAME_MASK;
	return 0;
}
 
static void print_va_to_pa(uintptr_t va)
{
	uint64_t pfn;
	int rc = read_pagemap_pfn(va, &pfn);
	if (rc != 0)
		return;
 
	uintptr_t offset = va & (PAGE_SIZE - 1);
	uint64_t pa = pfn * PAGE_SIZE + offset;
 
	printf("VA = 0x%" PRIxPTR "\n", va);
	printf("PFN = 0x%" PRIx64 "\n", pfn);
	printf("PA (frame base + offset) = 0x%" PRIx64 "\n", pa);
}
 
int main(void)
{
	int stack_var = 0x12345678;
	uintptr_t va = (uintptr_t)&stack_var;
 
	/* 确保页在内存：读写在栈上已完成 */
	print_va_to_pa(va);
 
	/* 堆页示例 */
	void *p = malloc(4096);
	if (!p) {
		perror("malloc");
		return 1;
		}
	((volatile char *)p)[0] = 1; /* touch */
	print_va_to_pa((uintptr_t)p);
	free(p);
 
	return 0;
}

1.3.4 限制与坑

• Hugepage / THP：PFN 与页大小的解释更复杂；上面按 4KiB 写的 offset 与 vpn 需按文档扩展。
• KASLR / 每次运行 VA 变：正常；PA 也会因分配变化。
• 权限：读 /proc/<other>/pagemap 常需特权；安全策略可能禁止。
• 信息侧信道：生产系统可能关闭或限制 pagemap 暴露。

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1.4 方法二：Linux 内核模块（kmalloc 线性映射区）——virt_to_phys

1.4.1 适用场景

• kmalloc / __get_free_pages 等得到的 内核逻辑地址，在 低端线性映射 成立时，可用 virt_to_phys 得到 物理地址（用于调试或与 phys_to_virt 对称理解）。

1.4.2 不适用

• vmalloc 区域：必须用 vmalloc_to_page + page_to_phys 一类路径，不能对 vmalloc 指针直接 virt_to_phys。
• 用户态指针：内核里也不能直接 virt_to_phys(user_ptr)；要用 pin_user_pages / get_user_pages 取 struct page * 再 page_to_phys。

1.4.3 极简内核模块片段（仅演示 kmalloc）

/* 仅作教学：需自行编写完整 Kbuild/Makefile 并仅在测试机加载 */
 
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/mm.h>
#include <asm/io.h> /* virt_to_phys on many archs via linux/io.h path varies */
 
static int __init va2pa_demo_init(void)
{
	void *v = kmalloc(4096, GFP_KERNEL);
	if (!v)
		return -ENOMEM;
 
	phys_addr_t pa = virt_to_phys(v);
	pr_info("va2pa_demo: kmalloc VA=%p PA=%pa\n", v, &pa);
 
	kfree(v);
	return 0;
}
 
static void __exit va2pa_demo_exit(void) {}
 
module_init(va2pa_demo_init);
module_exit(va2pa_demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

注意：包含头文件以你内核树为准；%pa 打印 phys_addr_t。

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1.5 方法三：内核里对用户态 VA —— pin_user_pages + page_to_phys（思路）

1.5.1 场景

• 驱动要把用户 buffer 做 DMA 或查询物理帧。

1.5.2 正确方向（现代内核）

• 使用 pin_user_pages（或旧 get_user_pages）拿到 struct page *，再 page_to_phys(page) 得到 起始物理地址，并配合 dma_map_page 做 IOMMU 映射（不要裸把 PA 写进 NIC 寄存器除非平台保证无 IOMMU）。

此路径代码较长且与具体驱动模型绑定，此处只保留关键词：access_ok、pin_user_pages、page_to_phys、dma_map_single。

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1.6 方法四：裸机 / 实验内核自己走页表（不推荐在 Linux 用户态做）

若你在 EL3/EL1 教学环境 或写 hypervisor，可读取 TTBR0/TTBR1 并软件遍历页表。这与 Linux 用户态 API 无关，且 x86 在保护模式下用户态无法读 CR3。

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1.7 与 DMA 相关的严谨一句

• 设备 DMA 常用的是 IOVA / 总线地址；在 IOMMU 开启时，连续 IOVA 可能对应 不连续的物理页。因此「VA→PA」与「给网卡填描述符的地址」在工程上不是同一条链路；驱动应走 dma_map_*。

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1.8 参考

• Intel SDM：分页与地址翻译。
• Linux Kernel Documentation：admin-guide/mm/pagemap.rst。
• /proc/<pid>/maps：看 VMA 范围；与 pagemap 联调时常一起看。

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本文为工程向说明，不构成安全审计或驱动开发规范的全部要求；位域以你运行的内核文档为最终依据。