Linux内核空间和用户空间
14页1、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内核地址映射模型x86 CPU采用了段页式地址映射模型。进程代码中的地址为逻辑地址,经过段页式地址映射后,才真正访问物理内存。段页式机制如下图。Linux内核地址空间划分通常32位Linux内核地址空间划分03G为用户空间,34G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。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03,0xc0000004对应的物理地址为04, ,逻辑地址与物理地址对应的关系为物理地址 = 逻辑地址 0xC0000000逻辑地址物理内存地址0xc0000000000xc0000001010xc0000002020xc0000003030xe000000002000000
2、00xffffffff040000000 ?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00 040000000,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00 040000000。即使安装了8G物理内存,那么物理地址为040000001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040000000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,三种类型的区域如下:ZONE_DMA 内存开始的16MBZONE_NORMAL 16MB896
3、MBZONE_HIGHMEM 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(896MB1024MB)。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。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080000000 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
4、映射到物理地址空间080000000 0x800FFFFF的内存。映射关系如下:逻辑地址物理内存地址0xF87000000800000000xF87000010800000010xF87000020800000020xF87FFFFF0x800FFFFF当内核访问完080000000 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。看到这里,不禁有人会问:万一有内核进程或模块一直占用某段逻辑地址空间不释放,怎么办?若真的出现的这种情况,则内核的高端内存地址空间越来越紧张,若都被占用不释放,则没有建立映射到物理内存都无法访问了。在 香港尖沙咀有些写字楼,洗手间很少且有门锁的。客户要去洗手间的话,可以向前台拿钥匙,方便完后,把钥匙归还到前台。这样虽然只有一个洗 手间,但可以满足所有客户去洗手间的需求。要是某个
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