本文摘自PHP中文网,作者藏色散人,侵删。
推荐:《linux视频教程》一. 简介
- Linux 操作系统和驱动程序运行在内核空间,应用程序运行在用户空间。两者不能简单地使用指针传递数据,因为Linux使用的虚拟内存机制,用户空间的数据可能被换出,当内核空间使用用户空间指针时,对应的数据可能不在内存中。用户空间的内存映射采用段页式,而内核空间有自己的规则;本文旨在探讨内核空间的地址映射。
- os分配给每个进程一个独立的、连续的、虚拟的地址内存空间,该大小一般是4G(32位操作系统,即2的32次方),其中将高地址值的内存空间分配给os占用,linux os占用1G,window os占用2G;其余内存地址空间分配给进程使用。
- 通常32位Linux内核虚拟地址空间划分0~3G为用户空间,3~4G为内核空间(注意,内核可以使用的线性地址只有1G)。注意这里是32位内核地址空间划分,64位内核地址空间划分是不同的。
- 进程寻址空间0~4G
- 进程在用户态只能访问0~3G,只有进入内核态才能访问3G~4G
- 进程通过系统调用进入内核态
- 每个进程虚拟空间的3G~4G部分是相同的
- 进程从用户态进入内核态不会引起CR3的改变但会引起堆栈的改变
二. Linux内核高端内存
1. 由来
当内核模块代码或线程访问内存时,代码中的内存地址都为逻辑地址,而对应到真正的物理内存地址,需要地址一对一的映射,如逻辑地址0xc0000003对应的物理地址为0×3,0xc0000004对应的物理地址为0×4,… …,逻辑地址与物理地址对应的关系为
物理地址 = 逻辑地址 ?C 0xC0000000:这是内核地址空间的地址转换关系,注意内核的虚拟地址在“高端”,但是ta映射的物理内存地址在低端。
逻辑地址 | 物理内存地址 |
0xc0000000 | 0×0 |
0xc0000001 | 0×1 |
0xc0000002 | 0×2 |
0xc0000003 | 0×3 |
… | … |
0xe0000000 | 0×20000000 |
… | … |
0xffffffff | 0×40000000 ?? |
假 设按照上述简单的地址映射关系,那么内核逻辑地址空间访问为0xc0000000 ~ 0xffffffff,那么对应的物理内存范围就为0×0 ~ 0×40000000,即只能访问1G物理内存。若机器中安装8G物理内存,那么内核就只能访问前1G物理内存,后面7G物理内存将会无法访问,因为内核 的地址空间已经全部映射到物理内存地址范围0×0 ~ 0×40000000。即使安装了8G物理内存,那么物理地址为0×40000001的内存,内核该怎么去访问呢?代码中必须要有内存逻辑地址 的,0xc0000000 ~ 0xffffffff的地址空间已经被用完了,所以无法访问物理地址0×40000000以后的内存。
显 然不能将内核地址空间0xc0000000 ~ 0xfffffff全部用来简单的地址映射。因此x86架构中将内核地址空间划分三部分:ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和 ZONE_HIGHMEM。ZONE_HIGHMEM即为高端内存,这就是内存高端内存概念的由来。
在x86结构中,三种类型的区域(从3G开始计算)如下:
ZONE_DMA 内存开始的16MB
ZONE_NORMAL 16MB~896MB
ZONE_HIGHMEM 896MB ~ 结束(1G)
2. 理解
前 面我们解释了高端内存的由来。 Linux将内核地址空间划分为三部分ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM,高端内存HIGH_MEM地址空间范围为 0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF(896MB~1024MB)。那么如内核是如何借助128MB高端内存地址空间是如何实现访问可以所有物理内存?
当内核想访问高于896MB物理地址内存时,从0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF地址空间范围内找一段相应大小空闲的逻辑地址空间,借用一会。借用这段逻辑地址空间,建立映射到想访问的那段物理内存(即填充内核PTE页面表),临时用一会,用完后归还。这样别人也可以借用这段地址空间访问其他物理内存,实现了使用有限的地址空间,访问所有所有物理内存。如下图。
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