Linux內核高端內存理解劃分

發布時間:2019/3/5 10:17:02 訪問次數:51928

apsint2012 2000w aps int系列12v dc 230v ac逆變器/充電器是可靠的電源

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linux內核高端內存的理解

前面我們解釋了高端內存的由來。 linux將內核地址空間劃分為三部分zone_dma、zone_normal和zone_highmem，高端內存high_mem地址空間范圍為0xf8000000 ~ 0xffffffff（896mb～1024mb）。那么如內核是如何借助128mb高端內存地址空間是如何實現訪問可以所有物理內存？

當內核想訪問高于896mb物理地址內存時，從0xf8000000 ~ 0xffffffff地址空間范圍內找一段相應大小空閑的邏輯地址空間，借用一會。借用這段邏輯地址空間，建立映射到想訪問的那段物理內存（即填充內核pte頁面表），臨時用一會，用完后歸還。這樣別人也可以借用這段地址空間訪問其他物理內存，實現了使用有限的地址空間，訪問所有所有物理內存。如下圖。

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例如內核想訪問2g開始的一段大小為1mb的物理內存，即物理地址范圍為0x80000000 ~ 0x800fffff。訪問之前先找到一段1mb大小的空閑地址空間，假設找到的空閑地址空間為0xf8700000 ~ 0xf87fffff，用這1mb的邏輯地址空間映射到物理地址空間0x80000000 ~ 0x800fffff的內存。

映射關系如下：

linux內核高端內存的劃分內核將高端內存劃分為3部分：vmalloc_startvmalloc_end、kmap_basefixaddr_start和fixaddr_start~4g。

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

對應高端內存的3部分，高端內存映射有三種方式：映射到”內核動態映射空間”（noncontiguous memory allocation）這種方式很簡單，因為通過 vmalloc() ，在”內核動態映射空間”申請內存的時候，就可能從高端內存獲得頁面（參看 vmalloc 的實現），因此說高端內存有可能映射到”內核動態映射空間”中。持久內核映射（permanent kernel mapping）如果是通過 alloc_page() 獲得了高端內存對應的 page，如何給它找個線性空間？內核專門為此留出一塊線性空間，從 pkmap_base 到 fixaddr_start ，用于映射高端內存。在 2.6內核上，這個地址范圍是 4g-8m 到 4g-4m 之間。這個空間起叫”內核永久映射空間”或者”永久內核映射空間”。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，及應該時從這個空間釋放掉（也就是解除映射關系），通過 kunmap() ，可以把一個 page 對應的線性地址從這個空間釋放出來。臨時映射（temporary kernel mapping）內核在 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存的臨時映射。apsint2012

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，根據映射目的，可以找到對應的小空間，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致以前的映射被覆蓋。通過 kmap_atomic() 可實現臨時映射。

常見問題：

1、用戶空間（進程）是否有高端內存概念？

用戶進程沒有高端內存概念。只有在內核空間才存在高端內存。用戶進程最多只可以訪問3g物理內存，而內核進程可以訪問所有物理內存。

2、64位內核中有高端內存嗎？

目前現實中，64位linux內核不存在高端內存，因為64位內核可以支持超過512gb內存。若機器安裝的物理內存超過內核地址空間范圍，就會存在高端內存。

3、用戶進程能訪問多少物理內存？內核代碼能訪問多少物理內存？

32位系統用戶進程最大可以訪問3gb，內核代碼可以訪問所有物理內存。

64位系統用戶進程最大可以訪問超過512gb，內核代碼可以訪問所有物理內存。

4、高端內存和物理地址、邏輯地址、線性地址的關系？

高端內存只和物理地址有關系，和線性地址、邏輯地址沒有直接關系。

5、為什么不把所有的地址空間都分配給內核？

若把所有地址空間都給內存，那么用戶進程怎么使用內存？怎么保證內核使用內存和用戶進程不起沖突？

linux內核地址映射模型x86 cpu采用了段頁式地址映射模型。進程代碼中的地址為邏輯地址，經過段頁式地址映射后，才真正訪問物理內存。

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段頁式機制如下圖。

linux內核地址空間劃分通常32位linux內核地址空間劃分03g為用戶空間，34g為內核空間。注意這里是32位內核地址空間劃分，

64位內核地址空間劃分是不同的。

linux內核高端內存的由來

當內核模塊代碼或線程訪問內存時，代碼中的內存地址都為邏輯地址，而對應到真正的物理內存地址，需要地址一對一的映射，如邏輯地址0xc0000003對應的物理地址為0x3，0xc0000004對apsint2012應的物理地址為0x4，… …，邏輯地址與物理地址對應的關系為

物理地址 = 邏輯地址 0xc0000000

假設按照上述簡單的地址映射關系，那么內核邏輯地址空間訪問為0xc0000000 ~ 0xffffffff，那么對應的物理內存范圍就為0x0 ~ 0x40000000，即只能訪問1g物理內存。若機器中安裝8g物理內存，那么內核就只能訪問前1g物理內存，后面7g物理內存將會無法訪問，因為內核的地址空間已經全部映射到物理內存地址范圍0x0 ~ 0x40000000。即使安裝了8g物理內存，那么物理地址為0x40000001的內存，內核該怎么去訪問呢？代碼中必須要有內存邏輯地址的，0xc0000000 ~ 0xffffffff的地址空間已經被用完了，所以無法訪問物理地址0x40000000以后的內存。

顯然不能將內核地址空間0xc0000000 ~ 0xfffffff全部用來簡單的地址映射。因此x86架構中將內核地址空間劃分三部分：zone_dma、zone_normal和zone_highmem。zone_highmem即為高端內存，這就是內存高端內存概念的由來。

在x86結構中，三種類型的區域如下：

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