Linux内核高端内存

本文内容主要来自ilinuxkernel.com，并对该部分内容进行了扩充。

下图展示的部分内容包含了本文的知识点，值得细细分析。

Linux内核地址空间划分

通常32位Linux进程地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G为空间。注意这里是32位进程地址空间划分，64位进程地址空间划分是不同的。

Linux内核高端内存的由来

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0x3，0xc0000004对应的物理地址为0x4，… …，逻辑地址与物理地址对应的关系为:
物理地址 = 逻辑地址 – 0xC0000000

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0x0 ~ 0x40000000，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0x0 ~ 0x40000000。即使安装了8G物理内存，那么物理地址为0x40000001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0x40000000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。x86架构中将物理地址空间划分三部分：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM。ZONE_HIGHMEM即为高端内存，这就是高端内存概念的由来。

在x86结构中，三种类型的区域如下：

ZONE_DMA 物理内存开始的16MB
ZONE_NORMAL 物理内存的16MB~896MB
ZONE_HIGHMEM 物理内存的896MB ~ 结束

Linux内核高端内存的理解

前面我们解释了高端内存的由来。 Linux将物理地址空间划分为三部分ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM，高端内存HIGH_MEM地址空间映射的内核线性地址范围为0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF（896MB～1024MB）。

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（即填充内核页表），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:

例如内核想访问2G开始的一段大小为1MB的物理内存，即物理地址范围为0x80000000 ~ 0x800FFFFF。访问之前先找到一段1MB大小的空闲地址空间，假设找到的空闲地址空间为0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF，用这1MB的逻辑地址空间映射到物理地址空间0x80000000 ~ 0x800FFFFF的内存。

当内核访问完0x80000000 ~ 0x800FFFFF物理内存后，就将0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF内核线性空间释放。这样其他进程或代码也可以使用0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF这段地址访问其他物理内存。

从上面的描述，我们可以知道高端内存的最基本思想：借一段地址空间，建立临时地址映射，用完后释放，达到这段地址空间可以循环使用，访问所有物理内存。

高端内存的映射

0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF（896MB～1024MB)的128MB内核线性地址空间被划分为3部分：VMALLOC_START~VMALLOC_END、KMAP_BASE~FIXADDR_START和FIXADDR_START~4G。

对于高端内存，可以通过 alloc_page() 或者其它函数获得对应的 page，但是要想访问实际物理内存，还得把 page 转为线性地址才行，也就是说，我们需要为高端内存对应的 page 找一个线性空间，这个过程称为高端内存映射。

对应128MB内核线性地址空间的3部分，高端内存映射有三种方式：

映射到”内核动态映射空间”（noncontiguous memory allocation）

这种方式很简单，因为通过 vmalloc() ，在”内核动态映射空间”申请内存的时候，就从高端内存获得页面，因此说高端内存有可能映射到”内核动态映射空间”中。

持久内核映射（permanent kernel mapping）

内核专门留出一块线性空间，从 PKMAP_BASE 到 FIXADDR_START ，用于映射高端内存。在 2.6内核上，这个地址范围是 4G-8M 到 4G-4M 之间。这个空间叫”持久内核映射空间”。通过kmap()，可以把一个 page 映射到这个空间来。因为允许永久映射的数量有限，当不再需要高端内存时，应该解除映射，这可以通过kunmap()函数来完成。

临时映射（temporary kernel mapping）

内核在 FIXADDR_START 到 FIXADDR_TOP(4GB)之间保留了一些线性空间用于特殊需求。这个空间称为”固定映射空间”，在这个空间中，有一部分用于高端内存的临时映射。
这个空间具有如下特点：

每个 CPU 占用一块空间
在每个 CPU 占用的那块空间中，又分为多个小空间，每个小空间大小是 1 个 page，每个小空间用于一个目的，这些目的定义在 kmap_types.h 中的 km_type 中。

当要进行一次临时映射的时候，需要指定映射的目的，根据映射目的，可以找到对应的小空间，然后把这个空间的地址作为映射地址。这意味着一次临时映射会导致以前的映射被覆盖。通过kmap_atomic()可实现临时映射。

常见问题

1. 用户空间是否有高端内存概念？

用户空间没有高端内存概念，只有内核空间才存在高端内存。

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. 高端内存和物理地址、线性地址的关系？

高端内存只和物理地址有关系，和线性地址没有直接关系。

参考资料：

ilinuxkernel Linux内核高端内存

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