linux核心記憶體管理(zone_dma zone_normal zone_highmem)__linux

Linux 作業系統和驅動程式運行在核心空間，應用程式運行在使用者空間，兩者不能簡單地使用指標傳遞資料，因為Linux使用的虛擬記憶體機制，使用者空間的資料可能被換出，當核心空間使用使用者空間指標時，對應的資料可能不在記憶體中。

   Linux核心地址空間劃分

通常32位Linux核心地址空間劃分0~3G為使用者空間，3~4G為核心空間。注意這裡是32位核心地址空間劃分，64位核心地址空間劃分是不同的。

1、x86的物理地址空間布局：

　　物理地址空間的頂部以下一段空間，被PCI裝置的I/O記憶體映射佔據，它們的大小和布局由PCI規範所決定。640K~1M這段地址空間被BIOS和VGA適配器所佔據。

　　Linux系統在初始化時，會根據實際的實體記憶體的大小，為每個物理頁面建立一個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核心將所有的物理頁面劃分到3類記憶體管理區中，如圖，分別為ZONE_DMA，ZONE_NORMAL，ZONE_HIGHMEM。

　　ZONE_DMA的範圍是0~16M，該地區的物理頁面專門供I/O裝置的DMA使用。之所以需要單獨管理DMA的物理頁面，是因為DMA使用物理地址訪問記憶體，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地區用於DMA。

　　ZONE_NORMAL的範圍是16M~896M，該地區的物理頁面是核心能夠直接使用的。

　　ZONE_HIGHMEM的範圍是896M~結束，該地區即為高端記憶體，核心不能直接使用。

2、linux虛擬位址核心空間分布

　　在kernel image下面有16M的核心空間用於DMA操作。位於核心空間高端的128M地址主要由3部分組成，分別為vmalloc area，持久化核心映射區，臨時核心映射區。

　　由於ZONE_NORMAL和核心線性空間存在直接映射關係，所以核心會將頻繁使用的資料如kernel代碼、GDT、IDT、PGD、mem_map數組等放在ZONE_NORMAL裡。而將使用者資料、頁表(PT)等不常用資料放在ZONE_ HIGHMEM裡，只在要訪問這些資料時才建立映射關係(kmap())。比如，當核心要訪問I/O裝置儲存空間時，就使用ioremap()將位於物理地址高端的mmio區記憶體映射到核心空間的vmalloc area中，在使用完之後便斷開映射關係。

3、linux虛擬位址使用者空間分布

　　使用者進程的代碼區一般從虛擬位址空間的0x08048000開始，這是為了便於檢查null 指標。代碼區之上便是資料區，未初始化資料區，堆區，棧區，以及參數、全域環境變數。

4、linux虛擬位址與物理地址映射的關係

　　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，核心想要訪問物理地址空間的話，必須先建立映射關係，然後通過虛擬位址來訪問。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的核心線性空間中，這顯然不可能。於是，核心將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裡的物理頁面；此時核心剩下的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裡的物理頁面映射到kernel space的最後128M線性地址空間裡，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，但是核心畢竟可以正常的訪問所有的物理地址空間了。

5、buddyinfo的理解

cat /proc/buddyinfo 顯示如下：

Node 0, zone      DMA       0      4      5      4      4      3 ...

Node 0, zone   Normal      1      0      0      1    101     8 ...

Node 0, zone  HighMem    2      0      0      1      1       0 ...

其中，Node表示在NUMA環境下的節點號，這裡只有一個節點0；zone表示每一個節點下的地區，一般有DMA、Normal和HignMem三個地區；後面的列表示，夥伴系統中每一個order對應的空閑頁面塊。例如，對於zone DMA的第二列（從0開始算起），空閑頁面數為5*2^4，可用記憶體為5*2^4*PAGE_SIZE。

計算方法就是：

                     當前列的數字*2^列數*PAGE_SIZE 其中列數是從0開始計算的，即第一列是 當前列的數字*2^0*PAGE_SIZE

常見問題：

1、使用者空間（進程）是否有高端記憶體概念。

使用者進程沒有高端記憶體概念。只有在核心空間才存在高端記憶體。使用者進程最多隻可以訪問3G實體記憶體，而核心進程可以訪問所有實體記憶體。

2、64位核心中有高端記憶體嗎。

目前現實中，64位Linux核心不存在高端記憶體，因為64位核心可以支援超過512GB記憶體。若機器安裝的實體記憶體超過核心地址空間範圍，就會存在高端記憶體。

3、使用者進程能訪問多少實體記憶體。核心代碼能訪問多少實體記憶體。

32位系統使用者進程最大可以訪問3GB，核心代碼可以訪問所有實體記憶體。

64位系統使用者進程最大可以訪問超過512GB，核心代碼可以訪問所有實體記憶體。

4、高端記憶體和物理地址、邏輯地址、線性地址的關係。

高端記憶體只和邏輯地址有關係，和邏輯地址、物理地址沒有直接關係。

5、為什麼不把所有的地址空間都分配給核心。

若把所有地址空間都給記憶體，那麼使用者進程怎麼使用記憶體。怎麼保證核心使用記憶體和使用者進程不起衝突。