Linux內(nèi)核地址空間劃分

通常32位Linux內(nèi)核虛擬地址空間劃分0~3G為用戶空間，3~4G為內(nèi)核空間(注意，內(nèi)核可以使用的線性地址只有1G)。注意這里是32位內(nèi)核地址空間劃分，64位內(nèi)核地址空間劃分是不同的。
通常32位Linux內(nèi)核虛擬地址空間劃分0~3G為用戶空間，3~4G為內(nèi)核空間(注意，內(nèi)核可以使用的線性地址只有1G)。注意這里是32位內(nèi)核地址空間劃分，64位內(nèi)核地址空間劃分是不同的。

Linux內(nèi)核高端內(nèi)存的由來

當內(nèi)核模塊代碼或線程訪問內(nèi)存時，代碼中的內(nèi)存地址都為邏輯地址，而對應(yīng)到真正的物理內(nèi)存地址，需要地址一對一的映射，如邏輯地址0xc0000003對應(yīng)的物理地址為0×3，0xc0000004對應(yīng)的物理地址為0×4，… …，邏輯地址與物理地址對應(yīng)的關(guān)系為

物理地址 = 邏輯地址 – 0xC0000000：這是內(nèi)核地址空間的地址轉(zhuǎn)換關(guān)系，注意內(nèi)核的虛擬地址在“高端”，但是ta映射的物理內(nèi)存地址在低端。

　　實際上，“內(nèi)核直接映射空間”也達不到 1G， 還得留點線性空間給“內(nèi)核動態(tài)映射空間” 呢。

　　因此，Linux 規(guī)定“內(nèi)核直接映射空間” 最多映射 896M 物理內(nèi)存。

　　對于高端內(nèi)存，可以通過 alloc_page() 或者其它函數(shù)獲得對應(yīng)的 page，但是要想訪問實際物理內(nèi)存，還得把 page 轉(zhuǎn)為線性地址才行（為什么？想想 MMU 是如何訪問物理內(nèi)存的），也就是說，我們需要為高端內(nèi)存對應(yīng)的 page 找一個線性空間，這個過程稱為高端內(nèi)存映射。

假 設(shè)按照上述簡單的地址映射關(guān)系，那么內(nèi)核邏輯地址空間訪問為0xc0000000 ~ 0xffffffff，那么對應(yīng)的物理內(nèi)存范圍就為0×0 ~ 0×40000000，即只能訪問1G物理內(nèi)存。若機器中安裝8G物理內(nèi)存，那么內(nèi)核就只能訪問前1G物理內(nèi)存，后面7G物理內(nèi)存將會無法訪問，因為內(nèi)核 的地址空間已經(jīng)全部映射到物理內(nèi)存地址范圍0×0 ~ 0×40000000。即使安裝了8G物理內(nèi)存，那么物理地址為0×40000001的內(nèi)存，內(nèi)核該怎么去訪問呢？代碼中必須要有內(nèi)存邏輯地址 的，0xc0000000 ~ 0xffffffff的地址空間已經(jīng)被用完了，所以無法訪問物理地址0×40000000以后的內(nèi)存。

顯 然不能將內(nèi)核地址空間0xc0000000 ~ 0xfffffff全部用來簡單的地址映射。因此x86架構(gòu)中將內(nèi)核地址空間劃分三部分：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和 ZONE_HIGHMEM。ZONE_HIGHMEM即為高端內(nèi)存，這就是內(nèi)存高端內(nèi)存概念的由來。

在x86結(jié)構(gòu)中，三種類型的區(qū)域（從3G開始計算）如下：

ZONE_DMA        內(nèi)存開始的16MB

ZONE_NORMAL       16MB~896MB

ZONE_HIGHMEM       896MB ~ 結(jié)束（1G）

高端內(nèi)存是指物理地址大于 896M 的內(nèi)存。對于這樣的內(nèi)存，無法在“內(nèi)核直接映射空間”進行映射。

為什么？

　　因為“內(nèi)核直接映射空間”最多只能從 3G 到 4G，只能直接映射 1G 物理內(nèi)存，對于大于 1G 的物理內(nèi)存，無能為力。

高端內(nèi)存映射有三種方式：

1、映射到“內(nèi)核動態(tài)映射空間”

　　這種方式很簡單，因為通過 vmalloc() ，在“內(nèi)核動態(tài)映射空間”申請內(nèi)存的時候，就可能從高端內(nèi)存獲得頁面（參看 vmalloc 的實現(xiàn)），因此說高端內(nèi)存有可能映射到“內(nèi)核動態(tài)映射空間” 中。

2、永久內(nèi)核映射

　　如果是通過 alloc_page() 獲得了高端內(nèi)存對應(yīng)的 page，如何給它找個線性空間？

　　內(nèi)核專門為此留出一塊線性空間，從 PKMAP_BASE 到 FIXADDR_START ，用于映射高端內(nèi)存。在 2.4 內(nèi)核上，這個地址范圍是 4G-8M 到 4G-4M 之間。這個空間起叫“內(nèi)核永久映射空間”或者“永久內(nèi)核映射空間”

　　這個空間和其它空間使用同樣的頁目錄表，對于內(nèi)核來說，就是 swapper_pg_dir，對普通進程來說，通過 CR3 寄存器指向。

　　通常情況下，這個空間是 4M 大小，因此僅僅需要一個頁表即可，內(nèi)核通過來 pkmap_page_table 尋找這個頁表。

　　通過 kmap()， 可以把一個 page 映射到這個空間來

　　由于這個空間是 4M 大小，最多能同時映射 1024 個 page。因此，對于不使用的的 page，應(yīng)該及時從這個空間釋放掉（也除映射關(guān)就是解系），通過 kunmap() ，可以把一個 page 對應(yīng)的線性地址從這個空間釋放出來。

3、臨時映射

　　內(nèi)核在 FIXADDR_START 到 FIXADDR_TOP 之間保留了一些線性空間用于特殊需求。這個空間稱為“固定映射空間”

　　在這個空間中，有一部分用于高端內(nèi)存的臨時映射。

　　這塊空間具有如下特點：

　　1、 每個 CPU 占用一塊空間

　　2、 在每個 CPU 占用的那塊空間中，又分為多個小空間，每個小空間大小是 1 個 page，每個小空間用于一個目的，這些目的定義在 kmap_types.h 中的 km_type 中。

　　當要進行一次臨時映射的時候，需要指定映射的目的，根據(jù)映射目的，可以找到對應(yīng)的小空間，然后把這個空間的地址作為映射地址。這意味著一次臨時映射會導(dǎo)致以前的映射被覆蓋。

　　通過 kmap_atomic() 可實現(xiàn)臨時映射。

      下圖簡單簡單表達如何對高端內(nèi)存進行映射

Linux內(nèi)存線性地址空間大小為4GB，分為2個部分：用戶空間部分（通常是3G）和內(nèi)核空間部分（通常是1G）。在此我們主要關(guān)注內(nèi)核地址空間部分。

內(nèi)核通過內(nèi)核頁全局目錄來管理所有的物理內(nèi)存，由于線性地址前3G空間為用戶使用，內(nèi)核頁全局目錄前768項（剛好3G）除0、1兩項外全部為0，后256項（1G）用來管理所有的物理內(nèi)存。內(nèi)核頁全局目錄在編譯時靜態(tài)地定義為swapper_pg_dir數(shù)組，該數(shù)組從物理內(nèi)存地址0x101000處開始存放。

由圖可見，內(nèi)核線性地址空間部分從PAGE_OFFSET（通常定義為3G）開始，為了將內(nèi)核裝入內(nèi)存，從PAGE_OFFSET開始8M線性地址用來映射內(nèi)核所在的物理內(nèi)存地址（也可以說是內(nèi)核所在虛擬地址是從PAGE_OFFSET開始的）；接下來是mem_map數(shù)組，mem_map的起始線性地址與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)，比如對于UMA結(jié)構(gòu)，由于從PAGE_OFFSET開始16M線性地址空間對應(yīng)的16M物理地址空間是DMA區(qū)，mem_map數(shù)組通常開始于PAGE_OFFSET+16M的線性地址；從PAGE_OFFSET開始到VMALLOC_START – VMALLOC_OFFSET的線性地址空間直接映射到物理內(nèi)存空間（一一對應(yīng)影射，物理地址==>線性地址-PAGE_OFFSET），這段區(qū)域的大小和機器實際擁有的物理內(nèi)存大小有關(guān)，這兒VMALLOC_OFFSET在X86上為8M，主要用來防止越界錯誤；在內(nèi)存比較小的系統(tǒng)上，余下的線性地址空間（還要再減去空白區(qū)即VMALLOC_OFFSET）被vmalloc()函數(shù)用來把不連續(xù)的物理地址空間映射到連續(xù)的線性地址空間上，在內(nèi)存比較大的系統(tǒng)上，vmalloc()使用從VMALLOC_START到VMALLOC_END（也即PKMAP_BASE減去2頁的空白頁大小PAGE_SIZE（解釋VMALLOC_END））的線性地址空間，此時余下的線性地址空間（還要再減去2頁的空白區(qū)即VMALLOC_OFFSET）又可以分成2部分：第一部分從PKMAP_BASE到FIXADDR_START用來由kmap()函數(shù)來建立永久映射高端內(nèi)存；第二部分，從FIXADDR_START到FIXADDR_TOP，這是一個固定大小的臨時映射線性地址空間，（引用：Fixed virtual addresses are needed for subsystems that need to know the virtual address at compile time such as the APIC），在X86體系結(jié)構(gòu)上，F(xiàn)IXADDR_TOP被靜態(tài)定義為0xFFFFE000,此時這個固定大小空間結(jié)束于整個線性地址空間最后4K前面，該固定大小空間大小是在編譯時計算出來并存儲在__FIXADDR_SIZE變量中。

      正是由于vmalloc()使用區(qū)、kmap()使用區(qū)及固定大小區(qū)（kmap_atomic()使用區(qū)）的存在才使ZONE_NORMAL區(qū)大小受到限制，由于內(nèi)核在運行時需要這些函數(shù)，因此在線性地址空間中至少要VMALLOC_RESERVE大小的空間。VMALLOC_RESERVE的大小與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)，在X86上，VMALLOC_RESERVE定義為128M，這就是為什么ZONE_NORMAL大小通常是16M到896M的原因。