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linux 高端内存映射方式

更新日期：2021-10-15

来源：纯净之家


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1.1 内核地址空间(线性空间)分布

linux 高端内存映射方式


(1) 直接映射区：线性空间中从3G开始最大896M的区间，为直接内存映射区，该区域的线性地址和物理地址存在线性转换关系：线性地址=3G+物理地址。
　　(2) 动态内存映射区:该区域由内核函数vmalloc来分配，特点是：线性空间连续，但是对应的物理空间不一定连续。vmalloc分配的线性地址所对应的物理页可能处于低端内存，也可能处于高端内存。
　　(3) 永久内存映射区：该区域可访问高端内存。访问方法是使用alloc_page(_GFP_HIGHMEM)分配高端内存页或者使用kmap函数将分配到的高端内存映射到该区域。
　　(4) 固定映射区：该区域和4G的顶端只有4k的隔离带，其每个地址项都服务于特定的用途，如ACPI_BASE等。
　　说明：
　　注意用户空间当然可以使用高端内存，而且是正常的使用，内核在分配那些不经常使用的内存时，都用高端内存空间(如果有)，所谓不经常使用是相对来说的，比如内核的一些数据结构就属于经常使用的，而用户的一些数据就属于不经常使用的。用户在启动一个应用程序时，是需要内存的，而每个应用程序都有3G的线性地址，给这些地址映射页表时就可以直接使用高端内存。
　　而且还要纠正一点的是：那128M线性地址不仅仅是用在这些地方的，如果你要加载一个设备，而这个设备需要映射其内存到内核中，它也需要使用这段线性地址空间来完成，否则内核就不能访问设备上的内存空间了。
　　总之，内核的高端线性地址是为了访问内核固定映射以外的内存资源。进程在使用内存时，触发缺页异常，具体将哪些物理页映射给用户进程是内核考虑的事情。在用户空间中没有高端内存这个概念。
　　1.2 高端内存映射
　　高端内存映射含义为：将线性地址空间 (范围从PAGE_OFFSET + 896M 至4G的最后128M)映射到 896M以上的物理页框。如下图所示：

linux 高端内存映射方式


高端内存映射有三种方式(都是非直接映射)：
　　1.2.1 映射到“内核动态映射空间”(非连续内存区映射)
　　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。
　　1.2.2 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 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。永久内存映射允许建立长期映射。
　　1.2.3 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。可以用在中断处理函数和可延迟函数的内部，从不阻塞。因为临时内存映射是固定内存映射的一部分，一个地址固定给一个内核成分使用。
 
　　
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