Linux内核地址空间
内存分为三个区段: 1. 用于DMA的内存，2. 常规内存，3.高端内存
内核空间分配api
kmalloc and kzalloc
Description
kmalloc is the normal method of allocating memory for objects smaller than page size in the kernel.
最常用的内核空间内存分配函数。最终是通过调用get_free_pages来实现.kmalloc()是基于slab/slob/slub分配分配算法上实现的，不少地方将其作为slab/slob/slub分配算法的入口，实际上是略有区别的。
最小分配大小 32/64 Byte 最大 128 KB -16
flags argument
GFP_USER - Allocate memory on behalf of user. May
sleep.
GFP_KERNEL - Allocate normal kernel ram. May sleep.
GFP_ATOMIC - Allocation will not sleep. May use emergency pools. For example, use this inside interrupt handlers.
GFP_HIGHUSER - Allocate pages from high memory.
貌似也能从高端内存分配 并不能,是说可能会从高端内存中分配，具体由平台决定
物理内存只能按页面进行分配，不超过128KB
get_free_page
参数类似于kmalloc.基于buddy机制
alloc_pages是Linux页分配器的核心函数alloc_pages_node的简单宏，主要处理了NUMA
vmalloc
vmalloc Description
分配虚拟地址空间的连续区域，尽管可能在物理地址上不是连续的。
访问每个页面需要单独调用alloc_pages.通过红黑树管理
说明
是Linux内存分配的基础。 内存分配使用效率不高，如可能，应该直接对页面进行分配。
以上三个函数获得的内存地址均为虚拟地址。但kmalloc、get_free_pages地址与物理内存只差基于PAGE_OFFSET的偏移。不需要修改页表
kmalloc()分配的内存处于3GB～high_memory之间，而vmalloc()分配的内存在VMALLOC_START～4GB之间，也就是非连续内存区。
一般情况下在驱动程序中都是调用kmalloc()来给数据结构分配内存，而vmalloc()用在为活动的交换区分配数据结构，为某些I/O驱动程序分配缓冲区，或为模块分配空间
vmalloc则不同。且分配得到的地址是不能在处理器之外使用。
正确使用场合： 分配一大堆连续的，只在软件中存在的，用于缓冲的内存区域
且其不能在原子上下文中使用，因为其内部实现调用了kmalloc来获取页表的存储空间，因而可能休眠
ioremap
与vmalloc不同的是，ioremap并不实际分配内存。其返回的内存地址不能够被直接访问，需要通过特定的接口来操作。
与vmalloc相同的是，ioremap也是面向页的，会新建页表
Linux的内存管理
地址类型
用户虚拟空间地址
内核地址空间
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内核逻辑地址
与物理地址只差一个偏移量，如`kmalloc` -
内核虚拟地址
不必是线性对应一对一。
宏__pa(),__va()完成相应的转换
高端内存和低端内存
内核无法直接操作没有映射到内核地址空间的内存。
为了获得更多的地址空间，处理器增添了地址扩展特性。
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只有内存的低端部分拥有逻辑地址 剩余的部分（高端内存）没有
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访问高端内存前，内核必须建立明确的虚拟映射
内存管理结构
页结构struct page
因为高端内存无法使用逻辑地址，且为了保存物理内存信息，对系统中每个物理页，都有一个page结构相对应。
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atomic_t count;这个页的引用数. 当这个 count 掉到 0, 这页被返回给空闲列表.
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void *virtual;这页的内核虚拟地址, 如果它被映射; 否则, NULL. 低内存页一直被映射; 高内存页常常不是. 这个成员不是在所有体系上出现; 它通常只在页的内核虚拟地址无法轻易计算时被编译. 如果你想查看这个成员, 正确的方法是使用
page_address宏. -
struct page virt_to_page(void kaddr)这个宏, 定义在
<asm/page.h>, 采用一个内核逻辑地址并返回它的被关联的struct page指针. 因为它需要一个逻辑地址, 它不能操作来自vmalloc的内存或者高端内存 -
struct page *pfn_to_page(int pfn)为给定的页帧号返回
struct page指针. 如果需要, 它在传递给pfn_to_page之前使用pfn_valid来检查一个页帧号的有效性. -
void page_address(struct page page)返回这个页的内核虚拟地址, 如果这样一个地址存在. 对于高端内存, 那个地址仅当这个页已被映射才存在. 这个函数在
<linux/mm.h>中定义. 大部分情况下, 你应该使用kmap而不是page_address
kmap映射
include <linux/highmem.h>
void kmap(struct page page);
void kunmap(struct page *page);
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kmap为系统中的任何页返回一个内核虚拟地址. 对于低端内存页, 它只返回页的逻辑地址; 对于高内存,kmap在内核地址空间的一个专用部分中创建一个特殊的映射. 使用kmap创建的映射应当一直使用kunmap来释放; -
一个有限数目的这样的映射可用, 因此最好不要在它们上停留太长时间.
kmap调用维护一个计数器, 因此如果 2 个或 多个函数都在同一个页上调用 kmap,也是正确的. 还要注意kmap可能睡眠当没有映射可用时. -
如块驱动中
make_request函数需要对bvec中的page进行kmap映射以得到可以操作的内核虚拟地址
页表与VMA
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页表
将虚拟地址转化为物理地址 -
VMA虚拟内存区( VMA )用来管理一个进程的地址空间的不同区域的内核数据结构. 一个 VMA 代表一个进程的虚拟内存的一个同类区域: 一个有相同许可标志和被相同对象(如, 一个文件或者交换空间)支持的连续虚拟地址范围. 它松散地对应于一个"段"的概念, 尽管可以更好地描述为"一个有它自己特性的内存对象". 一个进程的内存映射有下列区组成:
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给程序的可执行代码(常常称为 text)的一个区.
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给数据的多个区, 包括初始化的数据(它有一个明确的被分配的值, 在执行开始), 未初始化数据(BBS),以及程序堆栈.
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给每个获得的内存映射的一个区域.
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vm_area_struct结构
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当用户空间调用
mmap完成地址映射时，系统会同时创建一个vm_area_struct -
当驱动设备需要实现
mmap接口时，会需要对此结构的函数进行操作 -
在
<linux/mm.h>中定义
struct mm_struct
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每个进程都拥有一个
struct mm_struct <linux/sched.h>负责整合其他的数据结构. -
其中包含了：虚拟内存区域链表，页表以及相关内存管理信息，还包括自旋锁以及信号量。
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通常的方法是使用
current->mm来获得此结构. 注意内存关联结构可在进程之间共享;Linux线程的实现以这种方式工作
内存映射
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内存映射可被实现来提供用户程序对设备内存的直接存取。意味着关联一些用户空间地址到设备内存
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mmap限制以PAGE_SIZE为单位进行映射。可以极大提升吞吐量 -
mmap是file_operations的结构一部分。
mmap原型
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int (*mmap) (struct file *filp, struct vm_area_struct *vma); -
为了执行
mmap只需要为该地址建立页表，并将vma->vm_ops替换成一系列新操作。
建立页表的方法
使用remap_pfn_range一次性建立
int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot);
int io_remap_page_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr, unsigned long phys_addr, unsigned long size, pgprot_t prot);
负责为一段物理地址建立新的页表。
第一个函数当pfn只想实际物理RAM时使用。后者是当指向I/O内存时使用。
使用nopage_VMA每次建立一个页表
struct page *(*nopage)(struct vm_area_struct *vma,unsigned long address,int *type)
地址映射关系
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在进程的
task_struct结构中包含一个指向mm_struct结构的指针，mm_strcut用来描述一个进程的虚拟地址空间。 -
进程的
mm_struct则包含装入的可执行映像信息以及进程的页目录指针pgd。该结构还包含有指向vm_area_struct结构的几个指针，每个vm_area_struct代表进程的一个虚拟地址区间。 -
vm_area_struct结构含有指向vm_operations_struct结构的一个指针，vm_operations_struct描述了在这个区间的操作。 -
vm_operations结构中包含的是函数指针；其中，open、close分别用于虚拟区间的打开、关闭，而nopage用于当虚存页面不在物理内存而引起的“缺页异常”时所应该调用的函数，当Linux处理这一缺页异常时（请页机制），就可以为新的虚拟内存区分配实际的物理内存。