Linux的用戶(hù)空間與內(nèi)核空間是什么意思

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一. 簡(jiǎn)介

• Linux 操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在內(nèi)核空間，應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶(hù)空間。兩者不能簡(jiǎn)單地使用指針傳遞數(shù)據(jù)，因?yàn)長(zhǎng)inux使用的虛擬內(nèi)存機(jī)制，用戶(hù)空間的數(shù)據(jù)可能被換出，當(dāng)內(nèi)核空間使用用戶(hù)空間指針時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)可能不在內(nèi)存中。用戶(hù)空間的內(nèi)存映射采用段頁(yè)式，而內(nèi)核空間有自己的規(guī)則；本文旨在探討內(nèi)核空間的地址映射。
• os分配給每個(gè)進(jìn)程一個(gè)獨(dú)立的、連續(xù)的、虛擬的地址內(nèi)存空間，該大小一般是4G（32位操作系統(tǒng)，即2的32次方），其中將高地址值的內(nèi)存空間分配給os占用，linux os占用1G，window os占用2G；其余內(nèi)存地址空間分配給進(jìn)程使用。
• 通常32位Linux內(nèi)核虛擬地址空間劃分0~3G為用戶(hù)空間，3~4G為內(nèi)核空間(注意，內(nèi)核可以使用的線(xiàn)性地址只有1G)。注意這里是32位內(nèi)核地址空間劃分，64位內(nèi)核地址空間劃分是不同的。

• 進(jìn)程尋址空間0~4G
• 進(jìn)程在用戶(hù)態(tài)只能訪(fǎng)問(wèn)0~3G，只有進(jìn)入內(nèi)核態(tài)才能訪(fǎng)問(wèn)3G~4G
• 進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)
• 每個(gè)進(jìn)程虛擬空間的3G~4G部分是相同的
• 進(jìn)程從用戶(hù)態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)不會(huì)引起CR3的改變但會(huì)引起堆棧的改變

二. Linux內(nèi)核高端內(nèi)存

1. 由來(lái)

當(dāng)內(nèi)核模塊代碼或線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存時(shí)，代碼中的內(nèi)存地址都為邏輯地址，而對(duì)應(yīng)到真正的物理內(nèi)存地址，需要地址一對(duì)一的映射，如邏輯地址0xc0000003對(duì)應(yīng)的物理地址為0×3，0xc0000004對(duì)應(yīng)的物理地址為0×4，… …，邏輯地址與物理地址對(duì)應(yīng)的關(guān)系為

物理地址 = 邏輯地址 – 0xC0000000：這是內(nèi)核地址空間的地址轉(zhuǎn)換關(guān)系，注意內(nèi)核的虛擬地址在“高端”，但是ta映射的物理內(nèi)存地址在低端。

邏輯地址	物理內(nèi)存地址
0xc0000000	0×0
0xc0000001	0×1
0xc0000002	0×2
0xc0000003	0×3
…	…
0xe0000000	0×20000000
…	…
0xffffffff	0×40000000 ??

假 設(shè)按照上述簡(jiǎn)單的地址映射關(guān)系，那么內(nèi)核邏輯地址空間訪(fǎng)問(wèn)為0xc0000000 ~ 0xffffffff，那么對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存范圍就為0×0 ~ 0×40000000，即只能訪(fǎng)問(wèn)1G物理內(nèi)存。若機(jī)器中安裝8G物理內(nèi)存，那么內(nèi)核就只能訪(fǎng)問(wèn)前1G物理內(nèi)存，后面7G物理內(nèi)存將會(huì)無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)，因?yàn)閮?nèi)核 的地址空間已經(jīng)全部映射到物理內(nèi)存地址范圍0×0 ~ 0×40000000。即使安裝了8G物理內(nèi)存，那么物理地址為0×40000001的內(nèi)存，內(nèi)核該怎么去訪(fǎng)問(wèn)呢？代碼中必須要有內(nèi)存邏輯地址 的，0xc0000000 ~ 0xffffffff的地址空間已經(jīng)被用完了，所以無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)物理地址0×40000000以后的內(nèi)存。

顯 然不能將內(nèi)核地址空間0xc0000000 ~ 0xfffffff全部用來(lái)簡(jiǎn)單的地址映射。因此x86架構(gòu)中將內(nèi)核地址空間劃分三部分：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和 ZONE_HIGHMEM。ZONE_HIGHMEM即為高端內(nèi)存，這就是內(nèi)存高端內(nèi)存概念的由來(lái)。

在x86結(jié)構(gòu)中，三種類(lèi)型的區(qū)域（從3G開(kāi)始計(jì)算）如下：

ZONE_DMA       內(nèi)存開(kāi)始的16MB

ZONE_NORMAL      16MB~896MB

ZONE_HIGHMEM      896MB ~ 結(jié)束（1G）

2. 理解

前 面我們解釋了高端內(nèi)存的由來(lái)。 Linux將內(nèi)核地址空間劃分為三部分ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM，高端內(nèi)存HIGH_MEM地址空間范圍為 0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF（896MB～1024MB）。那么如內(nèi)核是如何借助128MB高端內(nèi)存地址空間是如何實(shí)現(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)可以所有物理內(nèi)存？

當(dāng)內(nèi)核想訪(fǎng)問(wèn)高于896MB物理地址內(nèi)存時(shí)，從0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF地址空間范圍內(nèi)找一段相應(yīng)大小空閑的邏輯地址空間，借用一會(huì)。借用這段邏輯地址空間，建立映射到想訪(fǎng)問(wèn)的那段物理內(nèi)存（即填充內(nèi)核PTE頁(yè)面表），臨時(shí)用一會(huì)，用完后歸還。這樣別人也可以借用這段地址空間訪(fǎng)問(wèn)其他物理內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)了使用有限的地址空間，訪(fǎng)問(wèn)所有所有物理內(nèi)存。如下圖。

例 如內(nèi)核想訪(fǎng)問(wèn)2G開(kāi)始的一段大小為1MB的物理內(nèi)存，即物理地址范圍為0×80000000 ~ 0x800FFFFF。訪(fǎng)問(wèn)之前先找到一段1MB大小的空閑地址空間，假設(shè)找到的空閑地址空間為0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF，用這1MB的邏輯地址空間映射到物理地址空間0×80000000 ~ 0x800FFFFF的內(nèi)存。映射關(guān)系如下：

邏輯地址	物理內(nèi)存地址
0xF8700000	0×80000000
0xF8700001	0×80000001
0xF8700002	0×80000002
…	…
0xF87FFFFF	0x800FFFFF

當(dāng)內(nèi)核訪(fǎng)問(wèn)完0×80000000 ~ 0x800FFFFF物理內(nèi)存后，就將0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF內(nèi)核線(xiàn)性空間釋放。這樣其他進(jìn)程或代碼也可以使用0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF這段地址訪(fǎng)問(wèn)其他物理內(nèi)存。

從上面的描述，我們可以知道高端內(nèi)存的最基本思想：借一段地址空間，建立臨時(shí)地址映射，用完后釋放，達(dá)到這段地址空間可以循環(huán)使用，訪(fǎng)問(wèn)所有物理內(nèi)存。

看到這里，不禁有人會(huì)問(wèn)：萬(wàn)一有內(nèi)核進(jìn)程或模塊一直占用某段邏輯地址空間不釋放，怎么辦？若真的出現(xiàn)的這種情況，則內(nèi)核的高端內(nèi)存地址空間越來(lái)越緊張，若都被占用不釋放，則沒(méi)有建立映射到物理內(nèi)存都無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)了。

3. 劃分

內(nèi)核將高端內(nèi)存劃分為3部分：VMALLOC_START~VMALLOC_END、KMAP_BASE~FIXADDR_START和FIXADDR_START~4G。

對(duì) 于高端內(nèi)存，可以通過(guò) alloc_page() 或者其它函數(shù)獲得對(duì)應(yīng)的 page，但是要想訪(fǎng)問(wèn)實(shí)際物理內(nèi)存，還得把 page 轉(zhuǎn)為線(xiàn)性地址才行（為什么？想想 MMU 是如何訪(fǎng)問(wèn)物理內(nèi)存的），也就是說(shuō)，我們需要為高端內(nèi)存對(duì)應(yīng)的 page 找一個(gè)線(xiàn)性空間，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為高端內(nèi)存映射。

對(duì)應(yīng)高端內(nèi)存的3部分，高端內(nèi)存映射有三種方式：
映射到”內(nèi)核動(dòng)態(tài)映射空間”（noncontiguous memory allocation）
這種方式很簡(jiǎn)單，因?yàn)橥ㄟ^(guò) vmalloc() ，在”內(nèi)核動(dòng)態(tài)映射空間”申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)候，就可能從高端內(nèi)存獲得頁(yè)面（參看 vmalloc 的實(shí)現(xiàn)），因此說(shuō)高端內(nèi)存有可能映射到”內(nèi)核動(dòng)態(tài)映射空間”中。

持久內(nèi)核映射（permanent kernel mapping）
如果是通過(guò) alloc_page() 獲得了高端內(nèi)存對(duì)應(yīng)的 page，如何給它找個(gè)線(xiàn)性空間？
內(nèi)核專(zhuān)門(mén)為此留出一塊線(xiàn)性空間，從 PKMAP_BASE 到 FIXADDR_START ，用于映射高端內(nèi)存。在 2.6內(nèi)核上，這個(gè)地址范圍是 4G-8M 到 4G-4M 之間。這個(gè)空間起叫”內(nèi)核永久映射空間”或者”永久內(nèi)核映射空間”。這個(gè)空間和其它空間使用同樣的頁(yè)目錄表，對(duì)于內(nèi)核來(lái)說(shuō)，就是 swapper_pg_dir，對(duì)普通進(jìn)程來(lái)說(shuō)，通過(guò) CR3 寄存器指向。通常情況下，這個(gè)空間是 4M 大小，因此僅僅需要一個(gè)頁(yè)表即可，內(nèi)核通過(guò)來(lái) pkmap_page_table 尋找這個(gè)頁(yè)表。通過(guò) kmap()，可以把一個(gè) page 映射到這個(gè)空間來(lái)。由于這個(gè)空間是 4M 大小，最多能同時(shí)映射 1024 個(gè) page。因此，對(duì)于不使用的的 page，及應(yīng)該時(shí)從這個(gè)空間釋放掉（也就是解除映射關(guān)系），通過(guò) kunmap() ，可以把一個(gè) page 對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性地址從這個(gè)空間釋放出來(lái)。

臨時(shí)映射（temporary kernel mapping）
內(nèi)核在 FIXADDR_START 到 FIXADDR_TOP 之間保留了一些線(xiàn)性空間用于特殊需求。這個(gè)空間稱(chēng)為”固定映射空間”在這個(gè)空間中，有一部分用于高端內(nèi)存的臨時(shí)映射。

這塊空間具有如下特點(diǎn)：
（1）每個(gè) CPU 占用一塊空間
（2）在每個(gè) CPU 占用的那塊空間中，又分為多個(gè)小空間，每個(gè)小空間大小是 1 個(gè) page，每個(gè)小空間用于一個(gè)目的，這些目的定義在 kmap_types.h 中的 km_type 中。

當(dāng)要進(jìn)行一次臨時(shí)映射的時(shí)候，需要指定映射的目的，根據(jù)映射目的，可以找到對(duì)應(yīng)的小空間，然后把這個(gè)空間的地址作為映射地址。這意味著一次臨時(shí)映射會(huì)導(dǎo)致以前的映射被覆蓋。通過(guò) kmap_atomic() 可實(shí)現(xiàn)臨時(shí)映射。

三. 其他

1、用戶(hù)空間（進(jìn)程）是否有高端內(nèi)存概念？

用戶(hù)進(jìn)程沒(méi)有高端內(nèi)存概念。只有在內(nèi)核空間才存在高端內(nèi)存。用戶(hù)進(jìn)程最多只可以訪(fǎng)問(wèn)3G物理內(nèi)存，而內(nèi)核進(jìn)程可以訪(fǎng)問(wèn)所有物理內(nèi)存。

2、64位內(nèi)核中有高端內(nèi)存嗎？

目前現(xiàn)實(shí)中，64位Linux內(nèi)核不存在高端內(nèi)存，因?yàn)?4位內(nèi)核可以支持超過(guò)512GB內(nèi)存。若機(jī)器安裝的物理內(nèi)存超過(guò)內(nèi)核地址空間范圍，就會(huì)存在高端內(nèi)存。

3、用戶(hù)進(jìn)程能訪(fǎng)問(wèn)多少物理內(nèi)存？?jī)?nèi)核代碼能訪(fǎng)問(wèn)多少物理內(nèi)存？

32位系統(tǒng)用戶(hù)進(jìn)程最大可以訪(fǎng)問(wèn)3GB，內(nèi)核代碼可以訪(fǎng)問(wèn)所有物理內(nèi)存。

64位系統(tǒng)用戶(hù)進(jìn)程最大可以訪(fǎng)問(wèn)超過(guò)512GB，內(nèi)核代碼可以訪(fǎng)問(wèn)所有物理內(nèi)存。

4、高端內(nèi)存和物理地址、邏輯地址、線(xiàn)性地址的關(guān)系？

高端內(nèi)存只和邏輯地址有關(guān)系，和邏輯地址、物理地址沒(méi)有直接關(guān)系。

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本文名稱(chēng)：Linux的用戶(hù)空間與內(nèi)核空間是什么意思
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