Linux記憶體線性地址空間布局解析

 

Linux記憶體線性地址空間大小為4GB，分為2個部分：使用者空間部分（通常是3G）和核心空間部分（通常是1G）。在此我們主要關注核心地址空間部分。

核心通過核心頁全域目錄來管理所有的實體記憶體，由於線性地址前3G空間為使用者使用，核心頁全域目錄前768項（剛好3G）除0、1兩項外全部為0，後256項（1G）用來管理所有的實體記憶體。核心頁全域目錄在編譯時間靜態地定義為swapper_pg_dir數組，該數組從實體記憶體地址0x101000處開始存放。

由圖可見，核心線性地址空間部分從PAGE_OFFSET（通常定義為3G）開始，為了將核心裝入記憶體，從PAGE_OFFSET開始8M線性地址用來映射核心所在的實體記憶體地址；接下來是mem_map數組，mem_map的起始線性地址與體繫結構相關，比如對於UMA結構，由於從PAGE_OFFSET開始16M線性地址空間對應的16M物理地址空間是DMA區，mem_map數組通常開始於PAGE_OFFSET+16M的線性地址；從PAGE_OFFSET開始到VMALLOC_START – VMALLOC_OFFSET的線性地址空間直接映射到實體記憶體空間（一一對應影射，物理地址<==>線性地址-PAGE_OFFSET），這段地區的大小和機器實際擁有的實體記憶體大小有關，這兒VMALLOC_OFFSET在X86上為8M，主要用來防止越界錯誤；在記憶體比較小的系統上，餘下的線性地址空間（還要再減去空白區即VMALLOC_OFFSET）被vmalloc()函數用來把不連續的物理地址空間映射到連續的線性地址空間上，在記憶體比較大的系統上，vmalloc()使用從VMALLOC_START到VMALLOC_END（也即PKMAP_BASE減去2頁的空白頁大小PAGE_SIZE）的線性地址空間，此時餘下的線性地址空間（還要再減去2頁的空白區即VMALLOC_OFFSET）又可以分成2部分：第一部分從PKMAP_BASE到FIXADDR_START用來由kmap()函數來建立永久映射高端記憶體；第二部分，從FIXADDR_START到FIXADDR_TOP，這是一個固定大小的臨時映射線性地址空間，（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體繫結構上，FIXADDR_TOP被靜態定義為0xFFFFE000,此時這個固定大小空間結束於整個線性地址空間最後4K前面，該固定大小空間大小是在編譯時間計算出來並儲存在__FIXADDR_SIZE變數中。

正是由於vmalloc()使用區、kmap()使用區及固定大小區（kmap_atomic()使用區）的存在才使ZONE_NORMAL區大小受到限制，由於核心在運行時需要這些函數，因此線上性地址空間中至少要VMALLOC_RESERVE大小的空間。VMALLOC_RESERVE的大小與體繫結構相關，在X86上，VMALLOC_RESERVE定義為128M，這就是為什麼ZONE_NORMAL大小通常是16M到896M的原因。