linux高端内存与内存映射——重要

最新推荐文章于 2025-10-11 11:33:39 发布

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本文详细介绍了Linux内核空间和用户空间的划分，强调了内核如何使用高端内存进行地址映射，包括段页式地址映射模型、内核如何初始化页表以及高端内存的管理方式，如临时映射、持久内核映射和内核动态映射。通过理解这些机制，可以更好地了解Linux内核如何高效地管理和访问物理内存。

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。

内核空间和用户空间

用户空间：在Linux中，每个用户进程都可以访问4GB的线性虚拟内存空间。其中从0到3GB的虚存地址是用户空间，通过每个进程自己的页目录、页表，用户进程可以直接访问。

内核空间：从3GB到4GB的虚存地址为内核态空间，存放供内核访问的代码和数据，用户态进程不能访问，只有内核态进程才能寻址。所有进程从3GB到4GB的虚拟空间都是一样的，linux以此方式让内核态进程共享代码段和数据段。

由于虚拟机制的引入，进程的可以使用32位地址系统支持的全部4G线性空间。进程的线性地址空间分成两部分：

从0x00000000 到 0xbfffffff的线性地址，无论用户态还是内核态的进程都可以寻址。
从0xc0000000 到 0xffffffff的线性地址，只有内核态的进程才能寻址。

当进程运行在用户态时，它产生的线性地址小于0xc0000000；当进程运行在内核态时，它执行内核代码，所产生的线性地址大于等于0xc0000000、且所有进程共享。如果是多核CPU，那么就会出现多个进程并发访问这些地址的现象，这里就要牵扯到临界区资源，也就是我们将来在介绍同步与互斥内容中要重点讨论的。宏PAGE_OFFSET产生的值就是0xc0000000，这就是进程在线性地址空间中的偏移量，也是内核生存空间的开始之处。

页全局目录被分成了两部分，的第一部分表项映射的线性地址小于0xc0000000(共1024项，在PAE未启用时是前768项，PAE启动时是前3项)，具体大小依赖特定进程。相反，剩余的表项对所有进程来说都应该是相同的，它们等于主内核页全局目录的相应表项。

那么，什么又是主内核页全局目录呢？内核维持着一组自己使用的页表，驻留在所谓主内核页全局目录（master kernel Page Global Directory）中。系统初始化后，这组页表还从未被任何进程或任何内核线程直接使用，主要用来为系统中每个普通进程对应的页全局目录项提供参考模型。

内核如何初始化自己的页表？这个过程分为两个阶段。事实上，内核映像刚刚被装入内存后，CPU仍然运行于实模式，所以分页功能没有被启用。第一个阶段，内核创建一个有限的地址空间，包括内核的代码段和数据段、初始页表和用于存放动态数据结构的共128KB大小的空间。这个最小限度的地址空间仅足够将内核装入RAM和对其初始化的核心数据结构。第二个阶段，内核充分利用剩余的RAM并适当地建立分页表。