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内存管理模块

news 来源：原创 2025/8/23 3:20:12

在 Linux 内核中，内存管理是一个复杂而关键的组成部分。内核空间的虚拟地址被划分为多个区域，每个区域有其特定的用途和映射机制。本文将详细介绍 直接映射区（Direct Mapping Area）、vmalloc 区、永久内核映射区（Permanent Kernel Mapping Area） 以及 固定映射的线性地址（Fixed Mappings in Linear Address），帮助全面理解 Linux 内核的内存管理机制。

一、Linux 内核虚拟地址空间概述

在大多数 32 位和 64 位系统中，Linux 内核为自己保留了一个独立的虚拟地址空间。这些地址空间被划分为不同的区域，每个区域负责特定的功能，如直接映射物理内存、动态分配内存、设备映射等。以下是常见的内核虚拟地址空间布局（以 x86 架构为例）：

+---------------------------+
|       用户空间（User Space）        |
+---------------------------+
|       内核空间（Kernel Space）       |
|  0xC0000000 - 0xFFFFFFFF (32位)  |
+---------------------------+

在 64 位系统中，内核空间的地址范围更大，但基本概念类似。

二、直接映射区（Direct Mapping Area）

1. 概述

直接映射区，又称为线性映射区（Linear Mapping Area），是内核将物理内存直接映射到内核虚拟地址空间的一部分。通过这种映射，内核可以高效地访问物理内存，而无需频繁进行页表查找。

2. 特点

线性映射：物理地址被线性映射到虚拟地址空间，通常具有固定的偏移量关系。例如，在某些系统中，虚拟地址 0xC0000000 可能对应物理地址 0x00000000，即 虚拟地址 = 物理地址 + 0xC0000000。
高效访问：由于映射关系简单，内核可以快速访问物理内存，适用于频繁访问的场景，如内核数据结构、内存管理等。
限制性：直接映射区的大小受限于系统的物理内存大小和虚拟地址空间的布局。在 32 位系统中，通常只能映射有限的物理内存。

3. 使用场景

内核数据结构：存储内核的核心数据结构，如页表、内存管理信息等。
高性能操作：需要频繁、高效访问物理内存的操作，如内存分配、页面回收等。

4. 示例

以 x86 32 位系统为例，假设内核的直接映射区从 0xC0000000 开始，物理地址 0x00000000 对应虚拟地址 0xC0000000，则物理地址 0x00100000 对应虚拟地址 0xC0100000。

#define PAGE_OFFSET 0xC0000000
#define virt_to_phys(x) ((unsigned long)(x) - PAGE_OFFSET)
#define phys_to_virt(x) ((void *)((unsigned long)(x) + PAGE_OFFSET))

三、vmalloc 区

1. 概述

vmalloc 区是内核提供的一种动态内存分配机制，用于分配较大且不连续的虚拟内存块。与 kmalloc 不同，vmalloc 可以分配跨多个物理页面的连续虚拟地址空间。

2. 特点

虚拟连续：vmalloc 分配的内存在虚拟地址空间中是连续的，但在物理内存中可能是不连续的。
灵活性高：适用于需要大块内存且对物理连续性要求不高的场景，如加载大型模块、分配大型数据结构等。
性能较低：由于涉及页表的频繁更新和转换，vmalloc 的访问速度通常低于 kmalloc。

3. 使用场景

模块加载：内核模块的加载与卸载，尤其是需要分配大块内存时。
大型数据结构：需要在内核中分配较大且动态变化的数据结构，如文件系统缓存、网络缓冲区等。

4. 工作原理

vmalloc 通过分配多个物理页面，并在内核页表中建立相应的虚拟地址映射，使得分配的内存块在虚拟地址空间中表现为连续的地址范围。具体步骤如下：

分配虚拟地址：内核从 vmalloc 区中找到一段连续的虚拟地址空间。
分配物理页面：为每个需要的页面分配物理内存。
建立映射：在内核页表中为每个虚拟页面建立对应的物理页面映射。
返回虚拟地址：将连续的虚拟地址块返回给调用者。

5. 示例

#include <linux/vmalloc.h>void *addr;
size_t size = 1024 * 1024; // 1 MBaddr = vmalloc(size);
if (!addr) {printk(KERN_ERR "vmalloc failed\n");return -ENOMEM;
}// 使用完毕后释放
vfree(addr);

四、永久内核映射区（Permanent Kernel Mapping Area）

1. 概述

永久内核映射区是指内核在启动时就永久映射的一部分虚拟地址空间，用于存放一些关键的数据结构和常驻内存的代码段。这部分区域在整个内核运行期间都保持映射状态，不会被动态分配或释放。

2. 特点

固定映射：一旦映射，永久内核映射区的内容在内核生命周期内保持不变。
关键数据存储：用于存储内核的重要数据结构，如全局变量、内核模块管理信息等。
高访问频率：由于存储关键数据，访问频率较高，通常具有较高的访问效率。

3. 使用场景

内核模块管理：存储模块加载、卸载的信息。
核心数据结构：如进程表、文件系统信息等。
固定功能模块：如中断描述符表、系统调用表等。

4. 工作原理

永久内核映射区在内核启动时由内核初始化代码进行映射。这部分区域通常是内核代码和只读数据的存放地，也包括一些需要常驻内存的可写数据区域。

5. 示例

假设有一个内核全局变量 global_data，它被永久映射在内核映射区：

/* 在某个内核源文件中 */
int global_data = 0;/* 通过内核映射区直接访问 */
void some_kernel_function(void) {global_data++;
}

global_data 被永久映射，因此在整个内核运行期间都可以通过固定的虚拟地址访问。

五、固定映射的线性地址（Fixed Mappings in Linear Address）

1. 概述

固定映射的线性地址指的是内核为特定用途预留的一部分虚拟地址空间，这些地址与特定的物理地址或设备地址有固定的映射关系。与动态分配的区域不同，固定映射区域在内核设计时已经确定，且不随运行时动态变化。

2. 特点

固定关系：虚拟地址与物理地址或设备地址的映射关系在内核设计时就已确定，通常不会改变。
设备映射：常用于映射内存映射的设备寄存器、I/O 端口等。
高效访问：由于映射关系固定，内核可以高效地访问这些地址，无需额外的查找或转换。

3. 使用场景

内存映射 I/O（MMIO）：将设备的寄存器或缓冲区映射到固定的虚拟地址空间，便于内核访问设备。
特殊内存区域：如视频内存、系统 BIOS 等。

4. 工作原理

固定映射区域在内核初始化时由内核映射机制（如 ioremap）进行映射。这些映射通常具有高优先级，不会被其他内存分配机制覆盖。

5. 示例

假设需要将物理地址 0xF0000000 映射到内核虚拟地址 0xFFFF0000，可以使用 ioremap 函数：

#include <linux/io.h>#define DEVICE_PHYS_ADDR 0xF0000000
#define DEVICE_SIZE      0x1000void __iomem *device_virt_addr;device_virt_addr = ioremap(DEVICE_PHYS_ADDR, DEVICE_SIZE);
if (!device_virt_addr) {printk(KERN_ERR "ioremap failed\n");return -ENOMEM;
}/* 访问设备寄存器 */
u32 reg_val = readl(device_virt_addr + 0x10);/* 使用完毕后取消映射 */
iounmap(device_virt_addr);

在此示例中，ioremap 将物理地址 0xF0000000 映射到内核虚拟地址空间，内核可以通过 device_virt_addr 访问设备寄存器。

六、各区域之间的关系与对比

特性	直接映射区	vmalloc 区	永久内核映射区	固定映射的线性地址
映射方式	物理地址线性映射到虚拟地址	虚拟地址动态分配，与物理地址非连续	固定虚拟地址映射固定物理地址或数据	固定虚拟地址映射特定物理地址或设备
用途	内核核心数据结构、高频访问	动态分配大块内存	存储关键全局数据	设备映射、特殊内存区域
映射关系	线性且固定	虚拟连续，物理不连续	固定且固定	固定且固定
性能	高效	相对较低	高效	高效
灵活性	低	高	低	低
内存分配	静态	动态	静态	静态
适用场景	内核核心操作	大块动态内存分配	存储关键数据和结构	设备寄存器映射、特殊内存访问

七、总结

Linux 内核的虚拟地址空间通过划分不同的区域，实现了高效、灵活的内存管理。直接映射区提供了高效的物理内存访问，适用于内核核心数据结构和高频访问场景；vmalloc 区则提供了灵活的动态内存分配，适合需要大块且不要求物理连续性的内存需求；永久内核映射区用于存储关键的全局数据，保证内核在整个运行期间的数据一致性；而固定映射的线性地址则用于设备映射和特殊内存区域的访问，确保高效稳定的设备交互。

一、Linux 内核虚拟地址空间概述

二、直接映射区（Direct Mapping Area）

1. 概述

2. 特点

3. 使用场景

4. 示例

三、vmalloc 区

1. 概述

2. 特点

3. 使用场景

4. 工作原理

5. 示例

四、永久内核映射区（Permanent Kernel Mapping Area）

1. 概述

2. 特点

3. 使用场景

4. 工作原理

5. 示例

五、固定映射的线性地址（Fixed Mappings in Linear Address）

1. 概述

2. 特点

3. 使用场景

4. 工作原理

5. 示例

六、各区域之间的关系与对比

七、总结

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