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linux内核内存管理(zone

2020-09-25  dwlinux_gs

 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。

 

   Linux内核地址空间划分

通常32位Linux内核地址空间划分0~3G为用户空间,3~4G为内核空间。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。

 

1、x86的物理地址空间布局:

 

wKiom1Nm_tiyhQPXAACWQfYUvVU353.jpg

 

  物理地址空间的顶部以下一段空间,被PCI设备的I/O内存映射占据,它们的大小和布局由PCI规范所决定。640K~1M这段地址空间被BIOS和VGA适配器所占据。

  Linux系统在初始化时,会根据实际的物理内存的大小,为每个物理页面创建一个page对象,所有的page对象构成一个mem_map数组。

进一步,针对不同的用途,Linux内核将所有的物理页面划分到3类内存管理区中,如图,分别为ZONE_DMA,ZONE_NORMAL,ZONE_HIGHMEM。

  ZONE_DMA的范围是0~16M,该区域的物理页面专门供I/O设备的DMA使用。之所以需要单独管理DMA的物理页面,是因为DMA使用物理地址访问内存,不经过MMU,并且需要连续的缓冲区,所以为了能够提供物理上连续的缓冲区,必须从物理地址空间专门划分一段区域用于DMA。

  ZONE_NORMAL的范围是16M~896M,该区域的物理页面是内核能够直接使用的。

  ZONE_HIGHMEM的范围是896M~结束,该区域即为高端内存,内核不能直接使用。

 

2、linux虚拟地址内核空间分布

 

wKiom1Nm_tezL0_TAACljE7bXGU278.jpg

  在kernel image下面有16M的内核空间用于DMA操作。位于内核空间高端的128M地址主要由3部分组成,分别为vmalloc area,持久化内核映射区,临时内核映射区。

  由于ZONE_NORMAL和内核线性空间存在直接映射关系,所以内核会将频繁使用的数据如kernel代码、GDT、IDT、PGD、mem_map数组等放在ZONE_NORMAL里。而将用户数据、页表(PT)等不常用数据放在ZONE_ HIGHMEM里,只在要访问这些数据时才建立映射关系(kmap())。比如,当内核要访问I/O设备存储空间时,就使用ioremap()将位于物理地址高端的mmio区内存映射到内核空间的vmalloc area中,在使用完之后便断开映射关系。

 

3、linux虚拟地址用户空间分布

wKiom1NnADvC07kmAACCVbbosf0493.jpg

  用户进程的代码区一般从虚拟地址空间的0x08048000开始,这是为了便于检查空指针。代码区之上便是数据区,未初始化数据区,堆区,栈区,以及参数、全局环境变量。

4、linux虚拟地址与物理地址映射的关系

 

wKioL1Nm_qiCvmYxAADRFZV_1jQ205.jpg

 

  Linux将4G的线性地址空间分为2部分,0~3G为user space,3G~4G为kernel space。

  由于开启了分页机制,内核想要访问物理地址空间的话,必须先建立映射关系,然后通过虚拟地址来访问。为了能够访问所有的物理地址空间,就要将全部物理地址空间映射到1G的内核线性空间中,这显然不可能。于是,内核将0~896M的物理地址空间一对一映射到自己的线性地址空间中,这样它便可以随时访问ZONE_DMA和ZONE_NORMAL里的物理页面;此时内核剩下的128M线性地址空间不足以完全映射所有的ZONE_HIGHMEM,Linux采取了动态映射的方法,即按需的将ZONE_HIGHMEM里的物理页面映射到kernel space的最后128M线性地址空间里,使用完之后释放映射关系,以供其它物理页面映射。虽然这样存在效率的问题,但是内核毕竟可以正常的访问所有的物理地址空间了。

 

5、buddyinfo的理解

cat /proc/buddyinfo 显示如下:

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环境下的节点号,这里只有一个节点0;zone表示每一个节点下的区域,一般有DMA、Normal和HignMem三个区域;后面的列表示,伙伴系统中每一个order对应的空闲页面块。例如,对于zone DMA的第二列(从0开始算起),空闲页面数为5*2^4,可用内存为5*2^4*PAGE_SIZE。

 

计算方法就是:

                     当前列的数字*2^列数*PAGE_SIZE 其中列数是从0开始计算的,即第一列是 当前列的数字*2^0*PAGE_SIZE

 

常见问题:

1、用户空间(进程)是否有高端内存概念?

用户进程没有高端内存概念。只有在内核空间才存在高端内存。用户进程最多只可以访问3G物理内存,而内核进程可以访问所有物理内存。

 

2、64位内核中有高端内存吗?

目前现实中,64位Linux内核不存在高端内存,因为64位内核可以支持超过512GB内存。若机器安装的物理内存超过内核地址空间范围,就会存在高端内存。

 

3、用户进程能访问多少物理内存?内核代码能访问多少物理内存?

32位系统用户进程最大可以访问3GB,内核代码可以访问所有物理内存。

64位系统用户进程最大可以访问超过512GB,内核代码可以访问所有物理内存。

 

4、高端内存和物理地址、逻辑地址、线性地址的关系?

高端内存只和逻辑地址有关系,和逻辑地址、物理地址没有直接关系。

 

5、为什么不把所有的地址空间都分配给内核?

若把所有地址空间都给内存,那么用户进程怎么使用内存?怎么保证内核使用内存和用户进程不起冲突?

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