深入解析Linux系统下的高端内存

小蚂蚁

这篇文章主要介绍了深入解析Linux系统下的高端内存,包括其内存映射方式等问题,需要的朋友可以参考下
Linux内核地址空间划分
通常32位Linux内核虚拟地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G为内核空间(注意，内核可以使用的线性地址只有1G)。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。
通常32位Linux内核虚拟地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G为内核空间(注意，内核可以使用的线性地址只有1G)。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
物理地址 = 逻辑地址 – 0xC0000000：这是内核地址空间的地址转换关系，注意内核的虚拟地址在“高端”，但是ta映射的物理内存地址在低端。
实际上，“内核直接映射空间”也达不到 1G，还得留点线性空间给“内核动态映射空间” 呢。
因此，Linux 规定“内核直接映射空间” 最多映射 896M 物理内存。
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。

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。
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（从3G开始计算）如下：
ZONE_DMA       内存开始的16MB
ZONE_NORMAL    16MB~896MB
ZONE_HIGHMEM    896MB ~ 结束（1G）

高端内存是指物理地址大于 896M 的内存。对于这样的内存，无法在“内核直接映射空间”进行映射。

为什么？
因为“内核直接映射空间”最多只能从 3G 到 4G，只能直接映射 1G 物理内存，对于大于 1G 的物理内存，无能为力。

高端内存映射有三种方式：

1、映射到“内核动态映射空间”
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。

2、永久内核映射
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 2.4 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，应该及时从这个空间释放掉（也除映射关就是解系），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。

3、临时映射
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。
下图简单简单表达如何对高端内存进行映射

Linux内存线性地址空间大小为4GB，分为2个部分：用户空间部分（通常是3G）和内核空间部分（通常是1G）。在此我们主要关注内核地址空间部分。
内核通过内核页全局目录来管理所有的物理内存，由于线性地址前3G空间为用户使用，内核页全局目录前768项（刚好3G）除0、1两项外全部为0，后256项（1G）用来管理所有的物理内存。内核页全局目录在编译时静态地定义为swapper_pg_dir数组，该数组从物理内存地址0x101000处开始存放。

由图可见，内核线性地址空间部分从PAGE_OFFSET（通常定义为3G）开始，为了将内核装入内存，从PAGE_OFFSET开始8M线性地址用来映射内核所在的物理内存地址（也可以说是内核所在虚拟地址是从PAGE_OFFSET开始的）；接下来是mem_map数组，mem_map的起始线性地址与体系结构相关，比如对于UMA结构，由于从PAGE_OFFSET开始16M线性地址空间对应的16M物理地址空间是DMA区，mem_map数组通常开始于PAGE_OFFSET+16M的线性地址；从PAGE_OFFSET开始到VMALLOC_START – VMALLOC_OFFSET的线性地址空间直接映射到物理内存空间（一一对应影射，物理地址<==>线性地址-PAGE_OFFSET），这段区域的大小和机器实际拥有的物理内存大小有关，这儿VMALLOC_OFFSET在X86上为8M，主要用来防止越界错误；在内存比较小的系统上，余下的线性地址空间（还要再减去空白区即VMALLOC_OFFSET）被vmalloc()函数用来把不连续的物理地址空间映射到连续的线性地址空间上，在内存比较大的系统上，vmalloc()使用从VMALLOC_START到VMALLOC_END（也即PKMAP_BASE减去2页的空白页大小PAGE_SIZE（解释VMALLOC_END））的线性地址空间，此时余下的线性地址空间（还要再减去2页的空白区即VMALLOC_OFFSET）又可以分成2部分：第一部分从PKMAP_BASE到FIXADDR_START用来由kmap()函数来建立永久映射高端内存；第二部分，从FIXADDR_START到FIXADDR_TOP，这是一个固定大小的临时映射线性地址空间，（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体系结构上，FIXADDR_TOP被静态定义为0xFFFFE000,此时这个固定大小空间结束于整个线性地址空间最后4K前面，该固定大小空间大小是在编译时计算出来并存储在__FIXADDR_SIZE变量中。
正是由于vmalloc()使用区、kmap()使用区及固定大小区（kmap_atomic()使用区）的存在才使ZONE_NORMAL区大小受到限制，由于内核在运行时需要这些函数，因此在线性地址空间中至少要VMALLOC_RESERVE大小的空间。VMALLOC_RESERVE的大小与体系结构相关，在X86上，VMALLOC_RESERVE定义为128M，这就是为什么ZONE_NORMAL大小通常是16M到896M的原因。

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