詳解Linux的使用者空間與核心空間

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• #Linux 作業系統和驅動程式運行在核心空間，應用程式運行在用戶空間。
兩者不能簡單地使用指標傳遞數據，因為Linux使用的虛擬記憶體機制，使用者空間的資料可能被換出，當核心空間使用使用者空間指標時，對應的資料可能不在記憶體中。使用者空間的記憶體映射採用段頁式，而核心空間有自己的規則；本文旨在探討核心空間的位址映射。
• os分配給每個進程一個獨立的、連續的、虛擬的位址記憶體空間，該大小一般是4G（32位元作業系統，即2的32次方），其中將高位址值的記憶體空間分配給os佔用，linux os佔用1G，window os佔用2G；其餘記憶體位址空間分配給進程使用。
• 通常32位元Linux核心虛擬位址空間劃分0~3G為用戶空間，3~4G為核心空間(注意，核心可以使用的線性位址只有1G)。注意這裡是32位元核心位址空間劃分，64位元核心位址空間劃分是不同的。

 

 

• #程式尋址空間0~4G
• 程式在使用者狀態只能存取0~3G，只有進入核心態才能存取3G~4G  
• 程式透過系統呼叫進入核心態
• 每個行程虛擬空間的3G~4G部分是相同的 
• 進程從使用者狀態進入核心狀態不會造成CR3的改變但會造成堆疊的改變

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二. Linux核心高階記憶體

# 1. 由來當核心模組程式碼或執行緒存取記憶體時，程式碼中的記憶體位址都是邏輯位址，而對應到真正的實體記憶體位址，需要位址一對一的映射，如邏輯位址0xc0000003對應的實體位址為0×3，0xc0000004對應的實體位址為0×4，… …，邏輯位址與實體位址對應的關係為實體位址= 邏輯位址– 0xC0000000 ：這是核心位址空間的位址轉換關係，注意核心的虛擬位址在“高端”，但是ta映射的實體記憶體位址在低端。 邏輯位址#實體記憶體位址 0xc00000000×0#########0xc0000001######0×1#############0xc0000002################0xc0000002##### #0×2############0xc0000003#######0×3###########…#####…######################################################################################################### ########0xe0000000######0×20000000############…######…###################################################################### ###0xffffffff############0×40000000 ??###############

假 設依照上述簡單的位址映射關係，那麼核心邏輯位址空間存取為0xc0000000 ~ 0xffffffff，那麼對應的物理記憶體範圍就為0×0 ~ 0×40000000，即只能存取1G物理記憶體。若機器中安裝8G物理內存，那麼核心就只能訪問前1G物理內存，後面7G物理內存將會無法訪問，因為內核 的地址空間已經全部映射到物理內存地址範圍0×0 ~ 0×40000000。即使安裝了8G物理內存，那麼物理位址為0×40000001的內存，核心該怎麼去存取呢？程式碼中必須要有記憶體邏輯位址 的，0xc0000000 ~ 0xffffffff的位址空間已經被用完了，所以無法存取實體位址0×40000000以後的記憶體。

顯 然不能將核心位址空間0xc0000000 ~ 0xfffffff全部用來簡單的位址對映。因此x86架構中將核心位址空間分割三個部分：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和 ZONE_HIGHMEM。 ZONE_HIGHMEM即為高階內存，這就是記憶體高階記憶體概念的由來。

在x86結構中，三種類型的區域（從3G開始計算）如下：

ZONE_DMA        記憶體開始的16MB

ZONE_NORMAL       16MB~896MB

ZONE_HIGHMEM       896MB ~ 結束（1G）

 

2. 理解

前面我們解釋了高階記憶體的由來。 Linux將核心位址空間分割為三部分ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM，高階記憶體HIGH_MEM位址空間範圍為 0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF（896MB～1024MB）。那麼如核心是如何借助128MB高階記憶體位址空間是如何實現存取可以所有實體記憶體？

當核心想存取高於896MB實體位址記憶體時，從0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF位址空間範圍內找一段對應大小空閒的邏輯位址空間，借用一會。借用這段邏輯位址空間，建立映射到想存取的那段實體記憶體（即填滿核心PTE頁面表），暫時用一會，用完後歸還。這樣別人也可以藉用這段位址空間來存取其他實體內存，實現了使用有限的位址空間，存取所有所有實體記憶體。如下圖。

範例 如核心想存取2G開始的一段大小為1MB的物理內存，即物理位址範圍為0×80000000 ~ 0x800FFFFF。造訪前先找到一段1MB大小的空閒位址空間，假設找到的空閒位址空間為0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF，用這1MB的邏輯位址空間對應到物理位址空間0×80000000 ~ 0x800FFFFF的記憶體。映射關係如下：

##0×800000000xF8700001#0×800000010xF8700020×80000002…0x800FFFFF

邏輯位址	#物理記憶體位址
0xF8700000
	0xF870002
	…
	0xF87FFFFF

######

當核心存取完0×80000000 ~ 0x800FFFFF實體記憶體後，就將0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF核心線性空間釋放。這樣其他進程或程式碼也可以使用0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF這段位址存取其他實體記憶體。

從上面的描述，我們可以知道高階記憶體的最基本想法：借一段位址空間，建立臨時位址映射，用完後釋放，達到這段位址空間可以循環使用，存取所有實體記憶體。

看到這裡，不禁有人會問：萬一有核心行程或模組一直佔用某段邏輯位址空間不釋放，怎麼辦？若真的出現的這種情況，則核心的高端記憶體位址空間越來越緊張，若都被佔用不釋放，則沒有建立映射到實體記憶體都無法存取了。

 

3. 分割

核心將高階記憶體劃分為3部分：VMALLOC_START~VMALLOC_END、KMAP_BASE~FIXADDR_START和FIXADDR_START~4G。

對於高階內存，可以透過alloc_page() 或其它函數取得對應的page，但是要存取實際實體內存，還得把page 轉為線性位址才行（為什麼？想想MMU 是如何存取實體記憶體的），也就是說，我們需要為高階記憶體對應的page 找一個線性空間，這個過程稱為高階記憶體映射。

對應高階記憶體的3部分，高階記憶體映射有三種方式：
對應到」內核動態映射空間」（noncontiguous memory allocation）
這種方式很簡單，因為透過vmalloc() ，在」內核動態映射空間」申請記憶體的時候，就可能從高階記憶體獲得頁面（參考vmalloc 的實作），因此說高階記憶體有可能映射到」內核動態映射空間」。

持久內核映射（permanent kernel mapping）
如果是透過 alloc_page() 獲得了高階記憶體對應的 page，如何給它找個線性空間？
核心專門為此留出一塊線性空間，從 PKMAP_BASE 到 FIXADDR_START ，用於映射高階記憶體。在 2.6核心上，這個位址範圍是 4G-8M 到 4G-4M 之間。這個空間起叫」內核永久映射空間」或」永久內核映射空間」。這個空間和其它空間使用同樣的頁目錄表，對於核心來說，就是 swapper_pg_dir，對普通進程來說，透過 CR3 暫存器指向。通常情況下，這個空間是 4M 大小，因此只需要一個頁表即可，核心會透過來 pkmap_page_table 尋找這個頁表。透過 kmap()，可以把一個 page 映射到這個空間來。由於這個空間是 4M 大小，最多能同時對應 1024 個 page。因此，對於不使用的的 page，及應該時從這個空間釋放掉（也就是解除映射關係），透過 kunmap() ，可以把一個 page 對應的線性位址從這個空間釋放出來。

暫時映射（temporary kernel mapping）
核心在 FIXADDR_START 到 FIXADDR_TOP 之間保留了一些線性空間用於特殊需求。這個空間稱為”固定映射空間」在這個空間中，有一部分用於高端記憶體的臨時映射。

這塊空間有以下特點：
（1）每個CPU 佔用一塊空間
（2）在每個CPU 佔用的那塊空間中，又分成多個小空間，每個小空間大小是1 個page，每個小空間用於一個目的，這些目的定義在kmap_types.h 中的km_type 中。

當要進行一次暫時映射的時候，需要指定映射的目的，根據映射目的，可以找到對應的小空間，然後把這個空間的位址當作映射位址。這意味著一次臨時映射會導致先前的映射被覆蓋。透過 kmap_atomic() 可實現臨時映射。

 

三. 其他

1、使用者空間（進程）是否有高階記憶體概念？

使用者進程沒有高階記憶體概念。只有在核心空間才存在高端記憶體。使用者進程最多只可以存取3G物理內存，而內核進程可以存取所有實體內存。

2、64位元核心中有高階記憶體嗎？

目前現實中，64位元Linux核心不存在高階內存，因為64位元核心可以支援超過512GB記憶體。若機器安裝的實體記憶體超過核心位址空間範圍，就會存在高階記憶體。

3、使用者行程能存取多少實體記憶體？內核程式碼能存取多少實體記憶體？

32位元系統使用者行程最大可以存取3GB，核心程式碼可以存取所有實體記憶體。

64位元系統使用者進程最大可以存取超過512GB，核心程式碼可以存取所有實體記憶體。

4、高階記憶體和實體位址、邏輯位址、線性位址的關係？

高階記憶體只和邏輯位址有關係，和邏輯位址、實體位址沒有直接關係。

以上是詳解Linux的使用者空間與核心空間的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！