linux内核内存管理

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内核地址空间划分

通常32位Linux内核地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G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。

1、虚拟地址

为了充分利用和管理系统内存资源，Linux采用虚拟内存管理技术，利用虚拟内存技术让每个进程都有4GB 互不干涉的虚拟地址空间。

进程初始化分配和操作的都是基于这个「虚拟地址」，只有当进程需要实际访问内存资源的时候才会建立虚拟地址和物理地址的映射，调入物理内存页。

虚拟地址的好处

避免用户直接访问物理内存地址，防止一些破坏性操作，保护操作系统
每个进程都被分配了4GB的虚拟内存，用户程序可使用比实际物理内存更大的地址空间

4GB 的进程虚拟地址空间被分成两部分：「用户空间」和「内核空间」

2、物理地址

不管是用户空间还是内核空间，使用的地址都是虚拟地址，当需进程要实际访问内存的时候，会由内核的「请求分页机制」产生「缺页异常」调入物理内存页。

把虚拟地址转换成内存的物理地址，这中间涉及利用MMU 内存管理单元（Memory Management Unit ) 对虚拟地址分段和分页（段页式）地址转换。

Linux 内核会将物理内存分为3个管理区，分别是：

ZONE_DMA

DMA内存区域。包含0MB~16MB之间的内存页框，可以由老式基于ISA的设备通过DMA使用，直接映射到内核的地址空间。

ZONE_NORMAL

普通内存区域。包含16MB~896MB之间的内存页框，常规页框，直接映射到内核的地址空间。

ZONE_HIGHMEM

高端内存区域。包含896MB以上的内存页框，不进行直接映射，可以通过永久映射和临时映射进行这部分内存页框的访问。

虚拟地址与物理地址的映射关系

3、用户空间

进程与内存，进程（执行的程序）占用的用户空间按照「访问属性一致的地址空间存放在一起」的原则，划分成 5个不同的内存区域。访问属性指的是“可读、可写、可执行等。

代码段

代码段是用来存放可执行文件的操作指令，可执行程序在内存中的镜像。代码段需要防止在运行时被非法修改，所以只准许读取操作，它是不可写的。
数据段

数据段用来存放可执行文件中已初始化全局变量，换句话说就是存放程序静态分配的变量和全局变量。
BSS段

BSS段包含了程序中未初始化的全局变量，在内存中 bss 段全部置零。
堆 heap

堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它的大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）
栈 stack

栈是用户存放程序临时创建的局部变量，也就是函数中定义的变量（但不包括 static 声明的变量，static意味着在数据段中存放变量）。除此以外，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的先进先出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲，我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。

上述几种内存区域中数据段、BSS 段、堆通常是被连续存储在内存中，在位置上是连续的，而代码段和栈往往会被独立存放。

在linux下用size 命令查看编译后程序的各个内存区域大小：

size /usr/local/sbin/sshd

size a.out

size phy.ko

[lemon ~]# size /usr/local/sbin/sshd
   text       data        bss        dec        hex    filename
1924532      12412     426896    2363840     2411c0    /usr/local/sbin/sshd

4、内核空间

在 x86 32 位系统里，Linux 内核地址空间是指虚拟地址从 0xC0000000 开始到 0xFFFFFFFF 为止的高端内存地址空间，总计 1G 的容量，

包括了内核镜像、物理页面表、驱动程序等运行在内核空间。

1）直接映射区

直接映射区 Direct Memory Region：从内核空间起始地址开始，最大896M的内核空间地址区间，为直接内存映射区。

直接映射区的896MB的「线性地址」直接与「物理地址」的前896MB进行映射，也就是说线性地址和分配的物理地址都是连续的。

内核地址空间的线性地址0xC0000001所对应的物理地址为0x00000001，它们之间相差一个偏移量PAGE_OFFSET = 0xC0000000

该区域的线性地址和物理地址存在线性转换关系「线性地址 = PAGE_OFFSET + 物理地址」也可以用 virt_to_phys()函数将内核虚拟空间中的线性地址转化为物理地址。

2）高端内存线性地址空间

内核空间线性地址从 896M 到 1G 的区间，容量 128MB 的地址区间是高端内存线性地址空间。

内核空间拿出了最后的 128M 地址区间，划分成下面三个高端内存映射区，以达到对整个物理地址范围的寻址。

而在 64 位的系统上就不存在这样的问题了，因为可用的线性地址空间远大于可安装的内存。

动态内存映射区

vmalloc Region 该区域由内核函数vmalloc来分配，特点是：线性空间连续，但是对应的物理地址空间不一定连续。

vmalloc 分配的线性地址所对应的物理页可能处于低端内存，也可能处于高端内存。

永久内存映射区

Persistent Kernel Mapping Region 该区域可访问高端内存。访问方法是使用 alloc_page (_GFP_HIGHMEM) 分配高端内存页或者使用kmap函数将分配到的高端内存映射到该区域。

固定映射区

Fixing kernel Mapping Region 该区域和 4G 的顶端只有 4k 的隔离带，其每个地址项都服务于特定的用途，如 ACPI_BASE 等。

5、总述

参考引用：

http://www.360doc.com/content/20/0604/21/69165012_916528140.shtml

https://blog.csdn.net/qq_38410730/article/details/81105132

https://www.cnblogs.com/wuchanming/p/4756911.html