Linux Highmem的使用

Linux kernel zone有如下類型：ZONE_DMA, ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM。

每一種zone類型適合不同的使用類型：

ZONE_DMA是低端實體記憶體範圍適合於ISA裝置的請求，ZONE_DMA的物理頁框映射到kernel線性地址空間。

ZONE_NORMAL則被直接映射到kernel線性地址空間，常見的核心操作都發生在ZONE_NORMAL。

ZONE_HIGHMEM則是剩餘的可用記憶體，核心不會對這部分記憶體做直接映射。

由於核心地址空間有限，不會對HIGHMEM做直接地址映射，因此核心是無法直接操作HIGHMEM空間內的頁框。但是核心可以通過以下方式把HIGHMEM映射到kernel地址空間：

1. 使用pkmap臨時映射

2. fixmap固定地址映射

3. vmalloc 分配非連續記憶體區

此外進程可以把Highmem映射到進程的使用者地址空間。

使用pkmap做臨時映射

核心在fixmap 線性地址前保留了一個2M/4M的線性地址空間，通過pkmap把高端記憶體臨時映射到這個空間，pkmap是一段很小的地址空間：只有2M或者4M。

使用fixmap映射做固定地址映射

Fixmaps是核心預留的一塊虛擬位址空間，可以映射到任意的實體記憶體，因此我們可以認為fixmap也會使用到highmem，fixmaps地址空間也非常有限，典型的位址範圍為0xFFC00000~0xFFFFF000。

kernel 分配非連續記憶體區

vmalloc會優先使用HIGHMEM zone來分配頁框，只有從HIGHMEM zone分配失敗，才會從Normal zone分配。

使用者空間映射

雖然核心地址空間有限，但是每個進程的使用者地址空間都可以達到3G，Highmem的頁框可以不受限制的映射到使用者線性地址空間。當訪問使用者地址空間地址發生缺頁異常時，核心的page allocator會優先從highmem zone分配頁面，只有當highmem zone沒有足夠的空閑頁面時，才會選擇Normal或者DMA zone進行分配。

因此highmem記憶體的主要使用者是應用進程的頁面映射，核心kernel通過pkmap fixmap方式，同時使用的Highmem記憶體，理論上最多2MB/4MB + 3.xMB；由於Highmem的存在，使得應用地址空間缺頁異常處理，檔案對應，堆分配等操作優先使用highmem zone的記憶體，減輕了Normal zone的分配壓力，某種程度上避免了Normal區的片段化。我們甚至可以禁止使用者空間地址的HIGH_MEM分配使用Normal zone和 DMA zone，使得Normal DMA只用於核心地址空間記憶體的分配，盡量減少片段化，避免記憶體配置失敗。我想這就是HighMem存在的意義吧。