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Linux系统虚拟内存空间

更新日期：2021-10-15

来源：纯净之家


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首先借用网上一张图，感觉这个比较清晰：

Linux系统虚拟内存空间

　
Linux系统虚拟内存空间一般布局示意图
　　1.1 线性空间
　　线性地址空间：是指Linux系统中从0x00000000到0xFFFFFFFF整个4GB虚拟存储空间。线性空间又分为用户空间和内核空间。
　　1.1.1 用户空间(进程地址空间)
　　用户空间是指从0x00000000到0xBFFFFFFF共3GB的线性地址空间，每个进程都有一个独立的3GB用户空间，所以用户空间由每个进程独有，但是内核线程没有用户空间，因为它不产生用户空间地址。另外子进程共享(继承)父进程的用户空间只是使用与父进程相同的用户线性地址到物理内存地址的映射关系，而不是共享父进程用户空间。运行在用户态和内核态的进程都可以访问用户空间。
　　linux采用虚拟内存管理技术，每一个进程都有一个3G大小的独立的进程地址空间，这个地址空间就是用户空间。每个进程的用户空间都是完全独立、互不相干的。进程访问内核空间的方式：系统调用和中断。
　　创建进程等进程相关操作都需要分配内存给进程。这时进程申请和获得的不是物理地址，仅仅是虚拟地址。 实际的物理内存只有当进程真的去访问新获取的虚拟地址时，才会由“请页机制”产生“缺页”异常，从而进入分配实际页框的程序。该异常是虚拟内存机制赖以存在的基本保证，它会告诉内核去为进程分配物理页，并建立对应的页表，这之后虚拟地址才实实在在的映射到了物理地址上。

Linux系统虚拟内存空间


1.1.2 内核空间
　　内核空间表示运行在处理器最高级别的超级用户模式(supervisor mode)下的代码或数据，内核空间占用从0xC0000000到0xFFFFFFFF的1GB线性地址空间，内核线性地址空间由所有进程共享，但只有运行在内核态的进程才能访问，用户进程可以通过系统调用切换到内核态访问内核空间，进程运行在内核态时所产生的地址都属于内核空间。
　　内核空间又可分为以下几个线性空间：
　　1. 内核逻辑地址空间
　　是指从PAGE_OFFSET(3G)3G+896)之间的线性地址空间，是系统物理内存映射区，它映射了全部或部分(如果系统包含高端内存)物理内存。内核逻辑地址空间中的地址与RAM内存物理地址空间中对应的地址只差一个固定偏移量(3G)，如果RAM内存物理地址空间从0x00000000地址编址，那么这个偏移量就是PAGE_OFFSET。
　　2. 高端线性地址空间：从high_memory(3G+896M)到0xFFFFFFFF之间的线性地址空间属于高端线性地址空间，其中VMALLOC_START~VMALLOC_END之间线性地址：(1)被vmalloc()函数用来分配物理上不连续但线性地址空间连续的高端物理内存，或者(2)被vmap()函数用来映射高端或低端物理内存，或者(3)由ioremap()函数来重新映射I/O物理空间。其中PKMAP_BASE开始的LAST_PKMAP(一般等于1024)页线性地址空间：被kmap()函数用来永久映射高端物理内存。FIXADDR_START开始的KM_TYPE_NR*NR_CPUS页线性地址空间：被kmap_atomic()函数用来临时映射高端物理内存，其他未用高端线性地址空间可以用来在系统初始化期间永久映射I/O地址空间。
 
　1.2 物理空间 1.2.1 低端内存(物理内存)
　　内核逻辑地址空间所映射物理内存就是低端内存(实际物理内存的大小，但是小于896)，低端内存在Linux线性地址空间中始终有永久的一一对应的内核逻辑地址，系统初始化过程中将低端内存永久映射到了内核逻辑地址空间，为低端内存建立了虚拟映射页表。低端内存内物理内存的物理地址与线性地址之间的转换可以通过__pa(x)和__va(x)两个宏来进行，#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET) __pa(x)将内核逻辑地址空间的地址x转换成对应的物理地址，相当于__virt_to_phys((unsigned long)(x))，__va(x)则相反，把低端物理内存空间的地址转换成对应的内核逻辑地址，相当于((void *)__phys_to_virt((unsigned long)(x)))。
　　1.2.2 高端内存(物理内存)
　　低端内存地址之上的物理内存是高端内存(物理内存896之上)，高端内存在Linux线性地址空间中没有没有固定的一一对应的内核逻辑地址，系统初始化过程中不会为这些内存建立映射页表将其固定映射到Linux线性地址空间，而是需要使用高端内存的时候才为分配的高端物理内存建立映射页表，使其能够被内核使用，否则不能被使用。高端内存的物理地址于线性地址之间的转换不能使用上面的__pa(x)和__va(x)宏。
　　高端内存概念的由来：如上所述，Linux将4GB的线性地址空间划分成两部分，从0x00000000到0xBFFFFFFF共3GB空间作为用户空间由用户进程独占，这部分线性地址空间并没有固定映射到物理内存空间上;从0xC0000000到0xFFFFFFFF的第4GB线性地址空间作为内核空间，在嵌入式系统中，这部分线性地址空间除了映射物理内存空间之外还要映射处理器内部外设寄存器空间等I/O空间。0xC0000000~high_memory之间的内核逻辑地址空间专用来固定映射系统中的物理内存，也就是说0xC0000000~high_memory之间空间大小与系统的物理内存空间大小是相同的(当然在配置了CONFIG_DISCONTIGMEMD选项的非连续内存系统中，内核逻辑地址空间和物理内存空间一样可能存在内存孔洞)，如果系统中的物理内存容量远小于1GB，那么内核线性地址空间中内核逻辑地址空间之上的high_memory~0xFFFFFFFF之间还有足够的空间来固定映射一些I/O空间。可是，如果系统中的物理内存容量(包括内存孔洞)大于1GB，那么就没有足够的内核线性地址空间来固定映射系统全部物理内存以及一些I/O空间了，为了解决这个问题，在x86处理器平台设置了一个经验值：896MB，就是说，如果系统中的物理内存(包括内存孔洞)大于896MB，那么将前896MB物理内存固定映射到内核逻辑地址空间0xC0000000~0xC0000000+896MB(=high_memory)上，而896MB之后的物理内存则不建立到内核线性地址空间的固定映射，这部分内存就叫高端物理内存。此时内核线性地址空间high_memory~0xFFFFFFFF之间的128MB空间就称为高端内存线性地址空间，用来映射高端物理内存和I/O空间。896MB是x86处理器平台的经验值，留了128MB线性地址空间来映射高端内存以及I/O地址空间，在嵌入式系统中可以根据具体情况修改这个阈值，比如，MIPS中将这个值设置为0x20000000B(512MB)，那么只有当系统中的物理内存空间容量大于0x20000000B时，内核才需要配置CONFIG_HIGHMEM选项，使能内核对高端内存的分配和映射功能。什么情况需要划分出高端物理内存以及高端物理内存阈值的设置原则见上面的内存页区(zone)概念说明。

Linux系统虚拟内存空间

 
　　
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