物理地址和虛擬地址的分布

來自專欄 人人都是極客

上一節內容的學習我們知道了CPU是如何訪問內存的，CPU拿到內存後就可以向其它人（kernel的其它模塊、內核線程、用戶空間進程、等等）提供服務，主要包括：

• 以虛擬地址（VA）的形式，為應用程序提供遠大於物理內存的虛擬地址空間（Virtual Address Space）
• 每個進程都有獨立的虛擬地址空間，不會相互影響，進而可提供非常好的內存保護（memory protection）
• 提供內存映射（Memory Mapping）機制，以便把物理內存、I/O空間、Kernel Image、文件等對象映射到相應進程的地址空間中，方便進程的訪問
• 提供公平、高效的物理內存分配（Physical Memory Allocation）演算法
• 提供進程間內存共享的方法（以虛擬內存的形式），也稱作Shared Virtual Memory

在提供這些服務之前需要對內存進行合理的劃分和管理，下面讓我們看下是如何劃分的。

物理地址空間布局

Linux系統在初始化時，會根據實際的物理內存的大小，為每個物理頁面創建一個page對象，所有的page對象構成一個mem_map數組。進一步，針對不同的用途，Linux內核將所有的物理頁面劃分到3類內存管理區中，如圖，分別為ZONE_DMA，ZONE_NORMAL，ZONE_HIGHMEM。

• ZONE_DMA 的範圍是 0~16M，該區域的物理頁面專門供 I/O 設備的 DMA 使用。之所以需要單獨管理 DMA 的物理頁面，是因為 DMA 使用物理地址訪問內存，不經過 MMU，並且需要連續的緩衝區，所以為了能夠提供物理上連續的緩衝區，必須從物理地址空間專門劃分一段區域用於 DMA。
• ZONE_NORMAL 的範圍是 16M~896M，該區域的物理頁面是內核能夠直接使用的。
• ZONE_HIGHMEM 的範圍是 896M~結束，該區域即為高端內存，內核不能直接使用。

Linux內核空間虛擬地址分布

在 Kernel Image 下面有 16M 的內核空間用於 DMA 操作。位於內核空間高端的 128M 地址主要由3部分組成，分別為 vmalloc area、持久化內核映射區、臨時內核映射區。

由於 ZONE_NORMAL 和內核線性空間存在直接映射關係，所以內核會將頻繁使用的數據如 Kernel 代碼、GDT、IDT、PGD、mem_map 數組等放在 ZONE_NORMAL 里。而將用戶數據、頁表（PT）等不常用數據放在 ZONE_HIGHMEM 里，只在要訪問這些數據時才建立映射關係（kmap()）。比如，當內核要訪問 I/O 設備存儲空間時，就使用 ioremap() 將位於物理地址高端的 mmio 區內存映射到內核空間的 vmalloc area 中，在使用完之後便斷開映射關係。

Linux用戶空間虛擬地址分布

用戶進程的代碼區一般從虛擬地址空間的 0x08048000 開始，這是為了便於檢查空指針。代碼區之上便是數據區，未初始化數據區，堆區，棧區，以及參數、全局環境變數。

Linux物理地址和虛擬地址的關係

Linux 將 4G 的線性地址空間分為2部分，0~3G 為 user space，3G~4G 為 kernel space。

由於開啟了分頁機制，內核想要訪問物理地址空間的話，必須先建立映射關係，然後通過虛擬地址來訪問。為了能夠訪問所有的物理地址空間，就要將全部物理地址空間映射到 1G 的內核線性空間中，這顯然不可能。於是，內核將 0~896M 的物理地址空間一對一映射到自己的線性地址空間中，這樣它便可以隨時訪問 ZONE_DMA 和 ZONE_NORMAL 里的物理頁面；此時內核剩下的 128M 線性地址空間不足以完全映射所有的 ZONE_HIGHMEM，Linux 採取了動態映射的方法，即按需的將 ZONE_HIGHMEM 里的物理頁面映射到 kernel space 的最後 128M 線性地址空間里，使用完之後釋放映射關係，以供其它物理頁面映射。雖然這樣存在效率的問題，但是內核畢竟可以正常的訪問所有的物理地址空間了。

到這裡我們應該知道了 Linux 是如何用虛擬地址來映射物理地址的，最後我們用一張圖來總結一下：

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