Linux 操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在內(nèi)核空間，應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶空間，兩者不能簡單地使用指針傳遞數(shù)據(jù)，因?yàn)長inux使用的虛擬內(nèi)存機(jī)制，用戶空間的數(shù)據(jù)可能被換出，當(dāng)內(nèi)核空間使用用戶空間指針時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)可能不在內(nèi)存中。

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? ?Linux內(nèi)核地址空間劃分

通常32位Linux內(nèi)核地址空間劃分0~3G為用戶空間，3~4G為內(nèi)核空間。注意這里是32位內(nèi)核地址空間劃分，64位內(nèi)核地址空間劃分是不同的。

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1、x86的物理地址空間布局：

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　　物理地址空間的頂部以下一段空間，被PCI設(shè)備的I/O內(nèi)存映射占據(jù)，它們的大小和布局由PCI規(guī)范所決定。640K~1M這段地址空間被BIOS和VGA適配器所占據(jù)。

　　Linux系統(tǒng)在初始化時(shí)，會(huì)根據(jù)實(shí)際的物理內(nèi)存的大小，為每個(gè)物理頁面創(chuàng)建一個(gè)page對(duì)象，所有的page對(duì)象構(gòu)成一個(gè)mem_map數(shù)組。

進(jìn)一步，針對(duì)不同的用途，Linux內(nèi)核將所有的物理頁面劃分到3類內(nèi)存管理區(qū)中，如圖，分別為ZONE_DMA，ZONE_NORMAL，ZONE_HIGHMEM。

　　ZONE_DMA的范圍是0~16M，該區(qū)域的物理頁面專門供I/O設(shè)備的DMA使用。之所以需要單獨(dú)管理DMA的物理頁面，是因?yàn)镈MA使用物理地址訪問內(nèi)存，不經(jīng)過MMU，并且需要連續(xù)的緩沖區(qū)，所以為了能夠提供物理上連續(xù)的緩沖區(qū)，必須從物理地址空間專門劃分一段區(qū)域用于DMA。

　　ZONE_NORMAL的范圍是16M~896M，該區(qū)域的物理頁面是內(nèi)核能夠直接使用的。

　　ZONE_HIGHMEM的范圍是896M~結(jié)束，該區(qū)域即為高端內(nèi)存，內(nèi)核不能直接使用。

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2、linux虛擬地址內(nèi)核空間分布

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　　在kernel image下面有16M的內(nèi)核空間用于DMA操作。位于內(nèi)核空間高端的128M地址主要由3部分組成，分別為vmalloc area，持久化內(nèi)核映射區(qū)，臨時(shí)內(nèi)核映射區(qū)。

　　由于ZONE_NORMAL和內(nèi)核線性空間存在直接映射關(guān)系，所以內(nèi)核會(huì)將頻繁使用的數(shù)據(jù)如kernel代碼、GDT、IDT、PGD、mem_map數(shù)組等放在ZONE_NORMAL里。而將用戶數(shù)據(jù)、頁表(PT)等不常用數(shù)據(jù)放在ZONE_ HIGHMEM里，只在要訪問這些數(shù)據(jù)時(shí)才建立映射關(guān)系(kmap())。比如，當(dāng)內(nèi)核要訪問I/O設(shè)備存儲(chǔ)空間時(shí)，就使用ioremap()將位于物理地址高端的mmio區(qū)內(nèi)存映射到內(nèi)核空間的vmalloc area中，在使用完之后便斷開映射關(guān)系。

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3、linux虛擬地址用戶空間分布

　　用戶進(jìn)程的代碼區(qū)一般從虛擬地址空間的0x08048000開始，這是為了便于檢查空指針。代碼區(qū)之上便是數(shù)據(jù)區(qū)，未初始化數(shù)據(jù)區(qū)，堆區(qū)，棧區(qū)，以及參數(shù)、全局環(huán)境變量。

4、linux虛擬地址與物理地址映射的關(guān)系

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　　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。

　　由于開啟了分頁機(jī)制，內(nèi)核想要訪問物理地址空間的話，必須先建立映射關(guān)系，然后通過虛擬地址來訪問。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的內(nèi)核線性空間中，這顯然不可能。于是，內(nèi)核將0~896M的物理地址空間一對(duì)一映射到自己的線性地址空間中，這樣它便可以隨時(shí)訪問ZONE_DMA和ZONE_NORMAL里的物理頁面；此時(shí)內(nèi)核剩下的128M線性地址空間不足以完全映射所有的ZONE_HIGHMEM，Linux采取了動(dòng)態(tài)映射的方法，即按需的將ZONE_HIGHMEM里的物理頁面映射到kernel space的最后128M線性地址空間里，使用完之后釋放映射關(guān)系，以供其它物理頁面映射。雖然這樣存在效率的問題，但是內(nèi)核畢竟可以正常的訪問所有的物理地址空間了。

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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(huán)境下的節(jié)點(diǎn)號(hào)，這里只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)0；zone表示每一個(gè)節(jié)點(diǎn)下的區(qū)域，一般有DMA、Normal和HignMem三個(gè)區(qū)域；后面的列表示，伙伴系統(tǒng)中每一個(gè)order對(duì)應(yīng)的空閑頁面塊。例如，對(duì)于zone DMA的第二列（從0開始算起），空閑頁面數(shù)為5*2^4，可用內(nèi)存為5*2^4*PAGE_SIZE。

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計(jì)算方法就是：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?當(dāng)前列的數(shù)字*2^列數(shù)*PAGE_SIZE 其中列數(shù)是從0開始計(jì)算的，即第一列是 當(dāng)前列的數(shù)字*2^0*PAGE_SIZE

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常見問題：

1、用戶空間（進(jìn)程）是否有高端內(nèi)存概念？

用戶進(jìn)程沒有高端內(nèi)存概念。只有在內(nèi)核空間才存在高端內(nèi)存。用戶進(jìn)程最多只可以訪問3G物理內(nèi)存，而內(nèi)核進(jìn)程可以訪問所有物理內(nèi)存。

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2、64位內(nèi)核中有高端內(nèi)存嗎？

目前現(xiàn)實(shí)中，64位Linux內(nèi)核不存在高端內(nèi)存，因?yàn)?4位內(nèi)核可以支持超過512GB內(nèi)存。若機(jī)器安裝的物理內(nèi)存超過內(nèi)核地址空間范圍，就會(huì)存在高端內(nèi)存。

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3、用戶進(jìn)程能訪問多少物理內(nèi)存？內(nèi)核代碼能訪問多少物理內(nèi)存？

32位系統(tǒng)用戶進(jìn)程最大可以訪問3GB，內(nèi)核代碼可以訪問所有物理內(nèi)存。

64位系統(tǒng)用戶進(jìn)程最大可以訪問超過512GB，內(nèi)核代碼可以訪問所有物理內(nèi)存。

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4、高端內(nèi)存和物理地址、邏輯地址、線性地址的關(guān)系？

高端內(nèi)存只和邏輯地址有關(guān)系，和邏輯地址、物理地址沒有直接關(guān)系。

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5、為什么不把所有的地址空間都分配給內(nèi)核？

若把所有地址空間都給內(nèi)存，那么用戶進(jìn)程怎么使用內(nèi)存？怎么保證內(nèi)核使用內(nèi)存和用戶進(jìn)程不起沖突？

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/vinozly/p/5618451.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的linux内核内存管理(zone_dma zone_normal zone_highmem)的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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