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Linux内核地址空间划分7 Z5 M& T: p# F: M. s
$ \$ r0 r% T; F, i/ Z! y# l1 _- R通常32位Linux内核地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G为内核空间。注意这里是32位内核地址空间划分，64位内核地址空间划分是不同的。
p( a8 G; t# n6 e
8 T( p g5 s8 l
' F0 _$ H: T7 C$ [ m3 |) R0 v
r/ d1 t; c* ^
1 O# c4 s& L+ U8 PLinux内核高端内存的由来
9 E' j* M2 X1 E; R9 }- {
+ w4 K: n* _8 B当内核模块代码或线程访问内存时，代码中的内存地址都为逻辑地址，而对应到真正的物理内存地址，需要地址一对一的映射，如逻辑地址0xc0000003对应的物理地址为0×3，0xc0000004对应的物理地址为0×4，… …，逻辑地址与物理地址对应的关系为- Q' h2 w9 B( k6 p. f' e
% ^- N8 c, h2 W# z3 g4 }; ]
物理地址 = 逻辑地址 – 0xC00000004 \* S' T' |6 F0 L) u( {: W
0 Z5 Z& z2 S) c$ ]; w& S9 F| 逻辑地址 | 物理内存地址 | 0xc0000000 | 0×0 | 0xc0000001 | 0×1 | 0xc0000002 | 0×2 | 0xc0000003 | 0×3 | … | … | 0xe0000000 | 0×20000000 | … | … | 0xffffffff | 0×40000000 ?? |
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) [. B- w4 b# {1 f# [: Y# D' a! r: ?( C0 k* n2 \
假设按照上述简单的地址映射关系，那么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物理内存将会无法访问，因为内核 的地址空间已经全部映射到物理内存地址范围0×0 ~ 0×40000000。即使安装了8G物理内存，那么物理地址为0×40000001的内存，内核该怎么去访问呢？代码中必须要有内存逻辑地址 的，0xc0000000 ~ 0xffffffff的地址空间已经被用完了，所以无法访问物理地址0×40000000以后的内存。
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: s" {' `, K5 B9 ^- f0 [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。3 F6 c. f$ Y7 i
9 {: b8 m( A/ E1 r5 t$ V2 u$ L( M6 x1 k& V F* |
在x86结构中，三种类型的区域如下：2 ]& H7 O0 q: m4 G: ^0 V
% ?5 s# b& \9 p {: k
ZONE_DMA 内存开始的16MB
+ z9 v% Y; ]6 F) J3 Q- R3 w1 `
+ w- g3 P& }: rZONE_NORMAL 16MB~896MB
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ZONE_HIGHMEM 896MB ~ 结束! j; c: e/ |* w$ O
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' _7 q# B6 _' vLinux内核高端内存的理解) t f1 P+ z1 ]* ?! N) q1 z
* Z1 e8 K: \7 {4 r2 @
前面我们解释了高端内存的由来。 Linux将内核地址空间划分为三部分ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM，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？
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+ l# c$ T2 D9 n, T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。
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% Y3 D! F6 E% `4 M; Q
6 @$ Y# Q j: P* |( ]0 h t# \
- D3 J7 J7 f7 g/ C+ @9 V4 m3 `1 c, z4 `5 ]5 N1 l# B. h
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大小的空闲地址空间，假设找到的空闲地址空间为0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF，用这1MB的逻辑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：
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| 逻辑地址 | 物理内存地址 | 0xF8700000 | 0×80000000 | 0xF8700001 | 0×80000001 | 0xF8700002 | 0×80000002 | … | … | 0xF87FFFFF | 0x800FFFFF |
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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。
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7 z6 @6 a; L3 L- s8 ?$ D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。( | m) ], W' k8 Q
; N' q8 v1 d" q1 o
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。0 \% F1 X3 Z3 j. o
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Linux内核高端内存的划分# x: p1 P0 }; N2 T" q- U" v) y
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。& Z' ^3 k' ?+ `9 D; S1 a+ F
0 {/ Z y; t' D. x% O- d
, N) P- i1 K7 Q# D. G h/ \) ]! ?3 Q. `$ X& a7 y; Z0 T- F
- [# {% I) o" e& v; q' v [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。8 S& G2 q2 [* v0 P2 L0 _
7 x2 k" R/ C c. r. _对应高端内存的3部分，高端内存映射有三种方式：
$ d% Z1 N- p* K; a- B映射到”内核动态映射空间”（noncontiguous memory allocation）
P6 P. F9 v) F4 T+ V7 r% O6 b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。
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: V5 r# E* M! l9 h4 P# Y持久内核映射（permanent kernel mapping）
* r3 A: j) e+ I4 T4 L- n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？
9 N1 m& G: @! }! J6 [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。# @" a0 y+ q! M* {' K
& U' k# r+ e% W临时映射（temporary kernel mapping）
- Q* a- T a8 ]3 ~3 f0 V8 J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。
, C7 s' Z$ @7 u5 c# E0 Z+ N' o2 a7 _* M, g ]+ w5 t x+ n
这块空间具有如下特点：; z5 X% I2 ?# b& W4 S+ Z! Z3 |
（1）每个 CPU 占用一块空间
8 o+ ^- X0 _9 n" m# R& R& L! A. J（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。0 k+ L' Z+ H9 a5 s7 r4 \+ f
) X: h9 j, b: Y& x+ P7 [+ s$ r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
+ o7 m5 U, R! z. S9 g0 M9 M- d- V3 L9 O2 \4 H
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发表于 2020-4-17 09:25
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