linux内核1G虚拟地址空间的映射规则以及什么是高端内存？

前面我们讲了，在32位linux内核里，内核地址空间是0xc0000000~0xffffffff, 大小1G；内核地址空间是0x00000000~0xbfffffff，大小3G。当内核代码访问内存时，cpu是需要把这些逻辑转换为物理地址的，也就是前面我们讲到的二级页表的转换过程。

细细看来，二级页表的转换过程可以是有某种规律的。比如，内核中的二级页表的转换就经过了人为的设定，保证了：逻辑地址（和线性地址一致）与物理地址对应的关系为

物理地址 = 逻辑地址 – 0xC0000000，也就是：

这样的好处是：内核逻辑地址和物理地址的转换变得很更高效、更直观、也更加方便进行内核的debug。

内核里定义了如下宏定义进行物理地址和逻辑地址的转换：

#define __PAGE_OFFSET           (0xC0000000)
……
#define PAGE_OFFSET             ((unsigned long)__PAGE_OFFSET)
#define __pa(x)                 ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
#define __va(x)                 ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))

但是如果按照上面的逻辑，内核逻辑地址空间访问为0xc0000000 ~ 0xffffffff，那么对应的物理内存范围就为0×0 ~ 0×40000000，即只能访问1G物理内存。若机器中安装8G物理内存，那么内核就只能访问前1G物理内存，后面7G物理内存是不是就无法访问了？

很显然是不可能的，作为整个系统的管理单元，内核必须能够访问所有的物理内存，那具体内核是怎么做的呢？

很显然不能将内核地址空间0xc0000000 ~ 0xfffffff全部用来简单的地址映射。因此x86架构中将内核地址空间划分三部分：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和 ZONE_HIGHMEM。ZONE_HIGHMEM即为高端内存，这就是内存高端内存概念的由来。

在x86结构中，三种类型的区域如下：

ZONE_DMA 内存开始的16MB

ZONE_NORMAL 16MB~896MB

ZONE_HIGHMEM 896MB ~ 结束

高端内存HIGH_MEM地址空间范围为 0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF（896MB～1024MB）。那么如内核是如何借助128MB高端内存地址空间是如何实现访问可以所有物理内存？

当内核想访问高于896MB物理地址内存时，从0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF地址空间范围内找一段相应大小空闲的逻辑地址空间，借用一会。借用这段逻辑地址空间，建立映射到想访问的那段物理内存（即填充内核PTE页面表），临时用一会，用完后归还。这样别人也可以借用这段地址空间访问其他物理内存，实现了使用有限的地址空间，访问所有所有物理内存。如下图所示：

地址增长方向为从上往下

例如内核想访问2G开始的一段大小为1MB的物理内存，即物理地址范围为0×80000000 ~ 0x800FFFFF。访问之前先找到一段1MB大小的空闲线性地址空间，假设找到的空闲线性地址空间为0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF，用这1MB的线性地址空间映射到物理地址空间0×80000000 ~ 0x800FFFFF的内存。映射关系如下：

当内核访问完0×80000000 ~ 0x800FFFFF物理内存后，就将0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF内核线性空间释放。这样其他进程或代码也可以使用0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF这段地址访问其他物理内存。

从上面的描述，我们可以知道高端内存的最基本思想：借一段线性地址空间，建立临时地址映射，用完后释放，达到这段地址空间可以循环使用，访问所有物理内存。

看到这里，不禁有人会问：万一有内核进程或模块一直占用某段逻辑地址空间不释放，怎么办？

若真的出现的这种情况，则内核的高端内存地址空间越来越紧张，若都被占用不释放，则没有建立映射到物理内存都无法访问了。

接下来，我们看一下linux内核对高端内存的官网划分：

内核将高端内存划分为3部分：VMALLOC_START~VMALLOC_END、KMAP_BASE~FIXADDR_START和FIXADDR_START~4G。

PAGE_OFFSET也就是3G对应的地址。

对于高端内存，可以通过 alloc_page() 或者其它函数获得对应的 page，但是要想访问实际物理内存，还得把 page 转为线性地址才行（为什么？想想 MMU 是如何访问物理内存的），也就是说，我们需要为高端内存对应的 page 找一个线性空间，这个过程称为高端内存映射。

对应高端内存的3部分，高端内存映射有三种方式：

映射到”内核动态映射空间”（noncontiguous memory allocation）这种方式很简单，因为通过 vmalloc() ，在”内核动态映射空间”申请内存的时候，就可能从高端内存获得页面（参看 vmalloc 的实现），因此说高端内存有可能映射到”内核动态映射空间”中。

持久内核映射（permanent kernel mapping）如果是通过 alloc_page() 获得了高端内存对应的 page，如何给它找个线性空间？内核专门为此留出一块线性空间，从 PKMAP_BASE 到 FIXADDR_START ，用于映射高端内存。在 2.6内核上，这个地址范围是 4G-8M 到 4G-4M 之间。这个空间起叫”内核永久映射空间”或者”永久内核映射空间”。这个空间和其它空间使用同样的页目录表，对于内核来说，就是 swapper_pg_dir，对普通进程来说，通过 CR3 寄存器指向。通常情况下，这个空间是 4M 大小，因此仅仅需要一个页表即可，内核通过来 pkmap_page_table 寻找这个页表。通过 kmap()，可以把一个 page 映射到这个空间来。由于这个空间是 4M 大小，最多能同时映射 1024 个 page。因此，对于不使用的的 page，及应该时从这个空间释放掉（也就是解除映射关系），通过 kunmap() ，可以把一个 page 对应的线性地址从这个空间释放出来。

临时映射（temporary kernel mapping）内核在 FIXADDR_START 到 FIXADDR_TOP 之间保留了一些线性空间用于特殊需求。这个空间称为”固定映射空间”在这个空间中，有一部分用于高端内存的临时映射。

这块空间具有如下特点：（1）每个 CPU 占用一块空间（2）在每个 CPU 占用的那块空间中，又分为多个小空间，每个小空间大小是 1 个 page，每个小空间用于一个目的，这些目的定义在 kmap_types.h 中的 km_type 中。

当要进行一次临时映射的时候，需要指定映射的目的，根据映射目的，可以找到对应的小空间，然后把这个空间的地址作为映射地址。这意味着一次临时映射会导致以前的映射被覆盖。通过 kmap_atomic() 可实现临时映射。

linux内核1G虚拟地址空间的映射规则以及什么是高端内存？相关推荐

Linux内存管理：内存描述之高端内存
<Linux内存管理:内存描述之内存节点node> <Linux内存管理:内存描述之内存区域zone> <Linux内存管理:内存描述之内存页面page> < ...
linux高端物理内存,Linux内存管理之高端内存
看了Linux内核内存管理,参考网上的意见整理了一下. 1.页框管理 Linux采用4KB页框大小作为标准的内存分配单元.内核必须记录每个页框的状态,这种状态信息保存在一个类型为page的页描述符中, ...
高端内存映射之kmap持久内核映射--Linux内存管理(二十)
日期内核版本架构作者 GitHub CSDN 2016-09-29 Linux-4.7 X86 & arm gatieme LinuxDeviceDrivers Linux内存管理在内 ...
【Linux】进程虚拟地址空间
进程虚拟地址空间打破了我一直以来对于程序地址空间的认识,它真的好神奇. 我们首先来看一下下面这段代码: 1 #include<stdio.h>2 #include<unistd.h& ...
linux 物理内存用完了_Linux用户空间与内核空间（理解高端内存）
Linux内核地址映射模型 x86 CPU采用了段页式地址映射模型.进程代码中的地址为逻辑地址,经过段页式地址映射后,才真正访问物理内存. 段页式机制如下图. Linux内核地址空间划分通常32位L ...
Linux用户空间与内核空间（理解高端内存）
目录 Linux内核地址映射模型 Linux内核地址空间划分 Linux内核高端内存的由来 Linux内核高端内存的理解 Linux内核高端内存的划分常见问题小结 1．虚拟内核空间到物理空间的映射 ...
linux 内核高端内存意义,Linux内核高端内存管理
原先一直都对Linux高端内存的管理认识模模糊糊的,可能主要是初次接触Linux kernel 是0.11版吧,当初的内存设计是16M,Linus对拥有32M的内存都是觊觎万分,1G内存恐怕是天方夜谭 ...
linux 各用户内存_Linux用户空间与内核空间（理解高端内存）
Linux 操作系统和驱动程序运行在内核空间,应用程序运行在用户空间,两者不能简单地使用指针传递数据,因为Linux使用的虚拟内存机制,用户空间的数据可能被换出,当内核空间使用用户空间指针时,对应的数 ...
【Linux】Linux的内核空间（低端内存、高端内存）
内核也是程序,也应该具有自己的虚存空间,但是作为一种为用户程序服务的程序,内核空间有它自己的特点. 内核空间与用户空间的关系在一个32位系统中,一个程序的虚拟空间最大可以是4GB,那么最直接的做法就 ...

linux内核1G虚拟地址空间的映射规则以及什么是高端内存？

linux内核1G虚拟地址空间的映射规则以及什么是高端内存？相关推荐

最新文章

热门文章