linux内存管理

内存管理方式：

分段式：逻辑段  < = > 物理段，一层映射，逻辑地址  < = > 物理地址

分页式：逻辑页  < = > 物理页，一层映射，虚拟地址（线性地址）  < = > 物理地址

段页式：逻辑段   < = > 逻辑页  < = > 物理页，两层映射，逻辑地址   < = > 虚拟地址  < = > 物理地址

逻辑页连续而实际物理页不连续，它们通过页表映射，所以有虚拟地址（线性地址）同物理地址之间映射。

现行的linux内存管理是基于分页的虚拟内存管理系统（源于程序执行的局部性原理）。需要软硬件支持如下。

硬件：

地址转换机构

软件：

缺页中断，页面置换。

CPU与内存之间地址称为物理地址。

IO设备同内存之间地址称为总线地址，因为他们通过总线（PCI总线，SCSI总线）连接。

MMU是CPU与内存之间的地址转换机构：虚拟地址 <=> 物理地址

IOMMU是IO设备与内存之间的地址转换机构高：设备虚拟地址 <=>  总线地址

CPU <=> 虚拟地址 <=> MMU <=> 物理地址 <=> 内存 <=> 物理地址 <=> IOMMU <=> 总线地址 <=> IO设备

所以在linux内核中，访问内存时使用的必须都是虚拟地址，而设备使用的可能是物理地址，比如DMA控制器，

它需要内存物理地址起始地址与长度，此时驱动再传递给它的地址必须将虚拟地址转换为物理地址。

kmalloc函数，返回的是虚拟地址。

get_free_pages函数，返回的是逻辑页地址

vmalloc函数，返回的也是虚拟地址。

三者区别如下：

转自：http://blog.youkuaiyun.com/macrossdzh/article/details/5958368

  对于提供了MMU（存储管理器，辅助操作系统进行内存管理，提供虚实地址转换等硬件支持）的处理器而言，Linux提供了复杂的存储管理系统，使得进程所能访问的内存达到4GB。

      进程的4GB内存空间被人为的分为两个部分--用户空间与内核空间。用户空间地址分布从0到3GB(PAGE_OFFSET，在0x86中它等于0xC0000000)，3GB到4GB为内核空间。

      LDD3中内核逻辑地址范围：

      内核空间中，从3G到vmalloc_start这段地址是物理内存映射区域（该区域中包含了内核镜像、物理页框表mem_map等等），比如我们使用 的 VMware虚拟系统内存是160M，那么3G～3G+160M这片内存就应该映射物理内存。

      LDD3中 内核虚拟地址范围：

     在物理内存映射区之后，就是vmalloc区域。对于 160M的系统而言，vmalloc_start位置应在3G+160M附近（在物理内存映射区与vmalloc_start期间还存在一个8M的gap 来防止跃界），vmalloc_end的位置接近4G(最后位置系统会保留一片128k大小的区域用于专用页面映射)

      kmalloc和get_free_page申请的内存位于物理内存映射区域，而且在物理上也是连续的，它们与真实的物理地址只有一个固定的偏移，因此存在较简单的转换关系，virt_to_phys()可以实现内核虚拟地址转化为物理地址：
   #define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
   extern inline unsigned long virt_to_phys(volatile void * address)
   {
       　return __pa(address);
   }
上面转换过程是将虚拟地址减去3G（PAGE_OFFSET=0XC000000）。

与之对应的函数为phys_to_virt()，将内核物理地址转化为虚拟地址：
   #define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
   extern inline void * phys_to_virt(unsigned long address)
   {
       　return __va(address);
   }
virt_to_phys()和phys_to_virt()都定义在include/asm-i386/io.h中。

而vmalloc申请的内存则位于vmalloc_start～vmalloc_end之间，与物理地址没有简单的转换关系，虽然在逻辑上它们也是连续的，但是在物理上它们不要求连续。

综上：

1.kmalloc和get_free_page申请的内存位于物理内存映射区域，返回内核逻辑地址。

2.vmalloc申请的内存则位于vmalloc_start～vmalloc_end之间，返回内核虚拟地址。