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首先，我们有1块物理内存，比如4G的DDR3，如果CPU想要找这个内存里边的一块区域存储的东西(0、1)，需要知道这块区域在哪里，最简单的就是把物理内存的一个个存储单元都编号，比如位置在最开头的就编号为0x00，接下来一个单元就编号0x01，…，这里每个单元都是1位，也就是只能存1个0或1个1，就像这样：
但是这样每一位都进行编号，整个地址编号就太多了，如果我们约定每8位编一个号，那整个地址就是原先的1/8，就像这样：
为了方便，我们把每8位的一个单元叫做1个字节，0x00指向的就是物理内存中的第1个存储单元，也就是第1个字节，字节是物理内存的最小存储单元。如果想拿到第1个字节第3位中的数字1（标红的位置），那就需要把整个字节都先拿到，再去找里边的数字。
这里给物理内存编的1个号码就是1个物理地址，所有给物理内存编的号码就叫物理地址的地址空间。
CPU如果想拿到某个物理内存中的数字，需要发送一组电信号给物理内存芯片，芯片根据这组电信号查找相应地址，然后返回给CPU，这组电信号编码成数字就是物理地址了，就像这样：
其中CPU到内存控制芯片的这几根线叫地址线，比如常说的某个架构有20根地址线或者32根、36根地址线，就表明CPU可以寻址到的地址空间，比如32根地址线就可以最高寻址到2^32，也就是4G。我们这里画了4根，就可以寻址到2^4，也即是16个字节。
我们需要编写程序控制CPU进行逻辑处理、计算、存储等动作，当需要读写内存中的数据的时候，最简单的当然是用物理地址去指示CPU问内存控制芯片要哪个地址的数据了，比如：
我们想要把0x00中的数据放到寄存器ax中，就把0x00这个地址给CPU，这就可以了，多简单。当然如果真的这么简单，大家都轻松了🙃。事实上，CPU为了能处理多任务，同时在一个任务中区分代码、数据、栈，就需要对内存进行划分，分别存放不同的内容，这样一是为了区分，二是为了保护（比如代码段不允许修改，某些数据只读）。先来想象一下可能的解决办法，我们的目的是想把一段处理逻辑控制在内存0x00~0x07这个段之间，让CPU在运行的时候不能超出这个内存范围去获取代码或数据，超过就要报错。一个简单的方法是设置一个标志位，该标志位表明指令中的地址都需要在0x00~0x07之间，不能超过。在指示0x080x15之间的内存的时候，再设置另一个标志位，起到同样的作用。这样就可以将整个内存分为2个段：0x00\0x07，0x08~0x15。每个段的长度是8个字节。每个段都设置一个标志位的方法有点儿笨，我们用每个段的首地址来表示这个段：0x00表示第1个段，0x08表示第2个段，再用跟段的首地址的偏移量来确认段内某个字节的地址。现在我们确定第1个段中第2个字节的地址就是0x00:1(第1个字节的地址是0)。如下图：
现在我们指令中用到的0x00:1就是逻辑地址，因为它在逻辑上将内存划分为了多个不同的段。我们要做的只是输入0x00:1这个地址，CPU会帮我们把逻辑地址翻译成0x01的物理地址🙂。
除了使用分段的方式划分内存外，还可以将物理内存直接划分为多个不同的页，称为页帧，一个物理页一般是4K大小，这样控制一页内的内存属性相同，多个不同的页可以使用不同的属性，就跟分段类似了，如下图：
这时候会出现个新问题：CPU已经使用逻辑地址来划分段了，如何去实现分页呢？其实肯定也想到了，在逻辑地址和物理地址之间加一个抽象层接口，也就是我们要说的最后一个地址：线性地址，也叫虚拟地址。线性地址的位置在逻辑地址和物理地址之间，比如在讲linux内核的书里边常见有这样的图：
CPU将逻辑地址按照分段逻辑转换成线性地址，再按分页逻辑转换成物理地址。这里的转换都是依靠CPU电路完成的，但是怎样分段，怎样分页是需要内核程序先规定好才行。CPU怎样进行分段和分页的就不细说了，这里讲的真好，可以去看看。
我们来对比一下分段和分页：
| 分段 | 分页 | |
|---|---|---|
| 目的 | 将内存按照不同的属性分隔，实现隔离和保护 | 将内存按照不同的属性分隔，实现隔离和保护 |
| 对象 | 对线性地址进行分隔 | 对物理页帧进行分隔 |
| 方法 | 使用逻辑地址（段基址:偏移）分隔不同的段 | 将线性地址分隔成不同的部分，一步步去寻找页对应的物理页帧，进而找到对应的物理地址 |
| 程序需要事先做好的准备 | 准备好GDT,LDT,IDT，也就是个个不同的段 | 准备好页目录，页表，也就是各个不同的页 |
| 大小 | 段大小可变，程序控制 | 页大小固定的几个值，4K,4M,2M，CPU规定好的 |
| 好了，现在我们的CPU中地址关系如下： | ||
 |
||
| 看上去很复杂吧，其实理解了就没那么多东西，我画画的水平有限😅。 |
有个问题很多人都想知道，我一开始看内存这部分的时候也很着急：linux用户程序里边用的是什么地址？我先说答案：是逻辑地址。但很多书里边讲linux虚拟内存的分布，跟程序里用到的地址是一模一样的啊？其实linux用户程序中的地址是逻辑地址中的偏移，只不过linux把所有段的基址都设为0，这样段内偏移就跟线性地址一样了（因为段基址都是0啊，段偏移加上0还是段偏移）。为什么linux要把所有段基址都设为0呢？其实分段和分页都是对内存的分隔和保护，从用途上来说是重复的，分页更简单些，所有linux就只用了分页来实现内存保护。
还有另一个问题：linux中用户进程看到的内存都是一样的，0~4G，这是如何实现的？答案是基于分页，linux给每个进程都维护一个分页映射规则，每个分页规则对应一种线性地址到物理地址的映射，这样每个进程看到的都是同样的线性地址，但是后边对应的物理地址各不相同。
内存管理是linux内核中最复杂的系统之一，除了逻辑地址到线性地址再到物理地址的映射外，还有很多其他的特性辅助操作系统对物理内存实现管理，比如分段逻辑实现时用到的GDT、LDT、IDT、TSS、6个段寄存器，分页逻辑实现时用到的页目录、页表、页帧、CR3、PAE，CPU和物理内存之间的高速缓存等。骨架已经理清楚了，其他的理解就慢慢往里加吧。
参考：
- http://ilinuxkernel.com/?p=1276，讲linux内核的大牛，思路清晰，文笔优美。
- 《Linux内核设计与实现》Robert Love，极好的内核入门书。
- 《深入Linux内核架构》(德)Wolfgang.Mauerer，深入细节1。
- 《Understanding the Linux Kernel 》3rd_Edition，Daniel P. Bovet and Marco Cesati，深入细节2。