Linux内核高端内存理解划分

发布时间:2019/3/5 10:17:02 访问次数:51893

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linux内核高端内存的理解

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？

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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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0x80000000 ~ 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0x80000000 ~ 0x800fffff的内存。

映射关系如下：

linux内核高端内存的划分内核将高端内存划分为3部分：vmalloc_startvmalloc_end、kmap_basefixaddr_start和fixaddr_start~4g。

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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。apsint2012

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。

常见问题：

1、用户空间（进程）是否有高端内存概念？

用户进程没有高端内存概念。只有在内核空间才存在高端内存。用户进程最多只可以访问3g物理内存，而内核进程可以访问所有物理内存。

2、64位内核中有高端内存吗？

目前现实中，64位linux内核不存在高端内存，因为64位内核可以支持超过512gb内存。若机器安装的物理内存超过内核地址空间范围，就会存在高端内存。

3、用户进程能访问多少物理内存？内核代码能访问多少物理内存？

32位系统用户进程最大可以访问3gb，内核代码可以访问所有物理内存。

64位系统用户进程最大可以访问超过512gb，内核代码可以访问所有物理内存。

4、高端内存和物理地址、逻辑地址、线性地址的关系？

高端内存只和物理地址有关系，和线性地址、逻辑地址没有直接关系。

5、为什么不把所有的地址空间都分配给内核？

若把所有地址空间都给内存，那么用户进程怎么使用内存？怎么保证内核使用内存和用户进程不起冲突？

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。

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段页式机制如下图。

linux内核地址空间划分通常32位linux内核地址空间划分03g为用户空间，34g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。

linux内核高端内存的由来

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0x3，0xc0000004对apsint2012应的物理地址为0x4，… …，逻辑地址与物理地址对应的关系为

物理地址 = 逻辑地址 0xc0000000

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0x0 ~ 0x40000000，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0x0 ~ 0x40000000。即使安装了8g物理内存，那么物理地址为0x40000001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0x40000000以后的内存。

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：

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