Linux內存管理(x86-32位系統)

linux內存的管理主要分爲兩部分，地址管理和存儲設備管理。下面針對這兩部分介紹一下我對內存管理的理解。

硬件地址的基本概念

• DRAM域地址：是DRAM控制器所能訪問的地址空間集合。
• PCI總線域地址：是PCI設備所能直接訪問的地址空間集合。
• 存儲器域地址：是CPU所能訪問的地址空間集合。

結合下圖對上面概念進行解釋：

CPU訪問DRAM域或PCI總線域地址空間時，都須要進行地址轉換（將存儲器域地址轉換爲相應域的地址）。例如：CPU訪問DRAM域時，須要進行存儲器域地址空間到DRAM域地址空間的轉換（由DRAM控制器完成）；CPU訪問PCI總線域時，須要進行存儲器域地址空間到PCI總線域地址空間的轉換（由HOST主橋完成）。

在x86處理器系統中，會將DRAM域和PCI總線域映射到存儲器域空間中，而且其大多數DRAM域中的地址與存儲器域中的地址一一對應並且相等，而存儲器域的PCI地址與PCI總線域的地址也一一對應並且相等。它們在存儲器域空間的映射彼此獨立，互不衝突，映射關係由BIOS提供（e820地址映射表）。

PCI設備訪問DRAM域地址空間時，首先要通過HOST主橋將PCI總線域地址轉換爲存儲器域地址，而後再由DRAM控制器將存儲器域地址轉換爲DRAM域地址。

軟件地址的基本概念

• 邏輯地址，是一個32位長的地址。全部進程地址都使用邏輯地址。

• 線性地址（也稱爲虛擬地址），是一個32位長地址，能夠用來表示高達4G的地址，值的範圍從0x00000000到0xffffffff。它是經過分段單元的硬件電路將邏輯地址轉換爲線性地址，即將邏輯地址加上一個段起始地址就獲得了線性地址。在linux中，全部的段都從0x00000000開始，因此在linux下邏輯地址等於線性地址，即進程地址也是線性地址。後面咱們就再也不討論邏輯地址，而都使用線性地址表明進程所使用的地址。

• 物理地址，是經過分頁單元的硬件電路將線性地址轉換爲物理地址。該地址就是上面所說的存儲器域地址，是CPU所能訪問的地址空間的集合。

下面用圖對上面概念進行解釋：

在X86系統中，全部進程都使用的是邏輯地址，它要經過分段單元硬件電路轉換爲線性地址，再經過分頁單元硬件電路轉換爲物理地址（即存儲器域地址）。

分段單元的邏輯以下圖所示（將邏輯地址轉換爲線性地址）

分頁單元的邏輯以下圖所示（將線性地址轉換爲物理地址）

地址管理

linux將線性地址空間分爲user和kernel兩個空間

• USER線性地址空間，指的是可被應用層訪問的線性地址空間。其大小（32位處理器） = 4G - KERNEL線性地址空間大小。

• KERNEL線性地址空間，指的是可被內核使用的線性地址空間。其大小 = LOWMEM線性地址空間大小 + VMALLOC線性地址空間大小。

  * LOWMEM線性地址空間，它佔用了KERNEL線性地址空間中的一部分。其大小 = KERNEL線性地址空間大小 - VMALLOC線性地址空間大小 。
   * LOWMEM功能，這段地址空間在啓動時已作好地址映射，其映射的物理內存是連續的，並與物理內存地址一一對應。
   * VMALLOC線性地址空間，它佔用了KERNEL線性地址空間中的另外一部分。其大小 = （KERNEL線性地址空間大小 - 物理內存大小） >  __VMALLOC_RESERVE ？KERNEL線性地址空間 - 物理內存大小 :  __VMALLOC_RESERVE
   * VMALLOC功能，用於在內核中分配線性地址連續，但物理地址不需連續的大內存區。這段地址空間初始化時未作任何地址映射。

linux內核線性地址空間變量的含義

• PAGE_OFFSET = __PAGE_OFFSET = CONFIG_PAGE_OFFSET：這個值是用於劃分USER線性地址和KERNEL線性地址的分界點。

• __VMALLOC_RESERVE：表示爲VMALLOC線性地址空間最小應保留的空間大小，默認是128M。這個值可在系統啓動時經過內核參數vmalloc來改變。

• VMALLOC_END：VMALLOC線性地址空間的結束地址。其值 = 最大線性地址 – 其它ROM內存空間大小

• VMALLOC_START：VMALLOC線性地址空間的起始地址。其值 = VMALLOC_END - VMALLOC線性大小（最小爲VMALLOC_RESERVE）

• VMALLOC_OFFSET：固定大小爲8M，用於再LOWMEM線性地址空間和VMALLOC線性地址空間之間創建一個隔離帶，防止它們互相影響。

• MAXMEM：其值爲(VMALLOC_END - PAGE_OFFSET - __VMALLOC_RESERVE)，表示內核可以直接映射的最大RAM容量，這個值也是相對固定的(與物理內存實際的大小沒有關係)，由於VMALLOC_END、PAGE_OFFSET、 __VMALLOC_RESERVE是相對固定的。

• MAXMEM_PFN：其值爲PFN_DOWN(MAXMEM)，表示內核可以直接管理的內存頁個數。

• MAX_ARCH_PFN：表示CPU最大可訪問的內存頁數。對應32位CPU，若是其開啓了PAE，則MAX_ARCH_PFN=(1ULL<<(36-PAGE_SHIFT))。若是未開啓PAE，則MAX_ARCH_PFN=(1ULL<<(32-PAGE_SHIFT))

• max_pfn：是從bios發現的最大的能管理的內存頁個數, 與實際內存大小有關，但它的大小不能超過MAX_ARCH_PFN。 當max_pfn <= MAXMEM_PFN時說明實際的物理內存比內核可以線性映射的內存數小，此時就不須要Highmem來管理了。此時就算開啓了HIGHMEM，ZONE_HIGHMEM區可以管理的內存大小也是0。 當max_pfn > MAXMEM_PFN時說明實際的物理內存比內核可以線性映射的內存數大，這樣多餘的那部分物理內存就不能進行線性映射了，必須經過頁表映射(即vmalloc來管理)， 該物理內存應該由ZONE_HIGHMEM區來管理。而若是沒有開啓HIGHMEM選項，則這部份內存就丟失了，再也不被管理。

• max_low_pfn：低端內存(相對於highmem)的最大頁數，這個就是ZONE_NORMAL區能管理的最大頁數。 若是實際物理內存比內核可以線性映射的內存數小，max_low_pfn = max_pfn，即全部的內存都歸低端內存區管理。 若是實際物理內存比內核可以線性映射的內存數大，max_low_pfn = MAXMEM_PFN，即低端內存區可以管理的最大值就是內核可以線性映射的最大值。

• highmem_pages：高端內存的最大頁數，這個是就是ZONE_HIGHMEM區管理的最大頁數。其值爲(max_fn – max_low_pfn)。

存儲設備管理（便可使用物理內存空間的管理）

linux內核將物理內存空間進行功能區劃分（劃分時要參考地址管理中線性地址的分配），並經過page結構進行管理

• ZONE_DMA物理內存空間，在x86體系結構上它是0～16M的內存範圍。由page結構進行管理，這個區包含的頁能被老設備執行DMA操做。

• ZONE_NORMAL物理內存空間，在x86體系上它是16M～KERNEL->LOWMEM線性地址對應的內存範圍。由page結構進行管理。 （內核在啓動時，就已經將上面這兩個區的內存空間映射到KERNEL線性地址空間中了。因此內核不需作任何操做，就能夠直接訪問這些物理內存。但爲了保證所訪問內存頁沒有被其它功能使用，所以在訪問內存以前，要使用get_free_page()等函數獲取空閒頁，並將該頁標記爲使用。返回的物理頁不須要作任何地址映射，僅僅是將物理地址加上內核空間偏移量就得到了其線性地址）

• ZONE_HIGHMEM物理內存空間，其大小 = 實際物理內存大小 – KERNEL->LOWMEM線性地址空間大小。由page結構進行管理，用於管理物理內存大小超過KERNEL->LOWMEM線性地址空間大小之外的物理內存。這段內存空間沒有被映射到內核線性地址空間，在使用時，要經過alloc_page()分配一個page頁，而後再將該頁映射到線性地址空間，這樣才能經過線性地址訪問。內核（一般用vmalloc()函數）將HIGHMEM物理內存頁映射到VMALLOC線性地址空間，所以內核可以使用的HIGHMEM物理內存大小與VMALLOC線性地址空間大小有關。另外，HIGHMEM物理內存頁一般被映射到USER線性地址空間。

• ZONE_NORMAL 與ZONE_HIGHMEM主要的區別是ZONE_NORMAL中的物理內存不須要作頁表映射直接用就好了，其線性地址的最大值是MAXMEM。而ZONE_HIGHMEM中的物理內存須要作頁表映射才能使用，其線性地址的範圍是VMALLOC_START～VMALLOC_END。因此不能作線性映射的內存都歸ZONE_HIGHMEM來管理了。若是開啓的HIGHMEM選項，則ZONE_HIGHMEM的大小就是剩下的物理內存，若是沒開起，則這部分物理內存就沒法管理了。