编程感悟之Linux

1，Linux 内存管理    

在 linux 系统中，进程的 4GB 内存空间被分为两个部分------用户空间与内核空间。用户空间地址一般分布为 0 ~ 3GB，这样剩下的 3 ~ 4GB为内核空间，用户进程通常情况下只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问内核空间虚拟地址。用户进程只有通过系统调用（代表用户进程在内核态执行）等方式才可以访问到内核空间。

            

每个进程的用户空间都是完全独立、互不相关的，用户进程各自有不同的页表。而内核空间是由内核负责映射，它并不会跟着进程改变，是固定的。内核空间地址有自己对应的页表，内核的虚拟空间独立于其他程序。

            

linux 中 1GB的内核地址空间又被划分为物理内存映射区、虚拟内存分配区、高端页面映射区、专用页面映射区和系统保留映射区这几个区域。

    

 一般情况下，物理内存映射区最大长度为 896MB，系统的物理内存被顺序映射在内核空间的这个区域中。当系统物理内存大于 896MB时，超过物理内存映射区的那部分内存被称为高端内存（而为超过物理内存映射的内存通过被称为常规内存），内核在存取高端内存时必须将它们映射到高端页面映射区。

           

 linux保留内核空间最顶部FIXADDR TOP ~ 4GB的区域作为保留区。

紧接着最顶端的保留区以下的一段区域为专用页面映射区（FIXADDR_START ~ FIXADDR TOP），它的总尺寸和每一页的用途有 fixed_address 枚举结构在编译时预定义，用 __fix_to_virt(index)可获取专用区内预定义页面的逻辑地址。其开始地址和结束地址宏定义如下;

#define    FIXADDR_START                     (FIXADDR_TOP - __FIXADDR_SIZE)

#define    FIXADDR_TOP                        ((unsigned long)__FIXADDR_TOP)

#define    __FIXADDR_TOP                    0xfffff000

接下来，如果系统配置了高端内存，则位于专用页面映射区之下的就是一段高端内存映射区，其起始地址为 PKMAP_BASE，定义如下：

#define    PKMAP_BASE                          ((FIXADDR_BOOT_START - PAGE_SIZE*(LAST_PKMAP + 1)) & PMD_MASK)

其中涉及的宏定义如下：

#define    FIXADDR_BOOT_START          (FIXADDR_TOP - __FIXADDR_BOOT_SIZE)

#define    LAST_PKMAP                           PTRS_PER_PTE

#define    PTRS_PER_PTE                       512

#define    PMD_MASK                              (~(PMD_SIZE - 1))

#define    PMD_SIZE                               (1UL << PMD_SHIFT)

#define    PMD_SHIFT                             21

在物理区和高端映射区之间为虚拟内存分配区（VMALLOC_START ~ VMALLOC_END），用于 vmalloc() 函数，它的前部与物理内存映射区有一个隔离带，后部与高端映射区也有一个隔离带。

当系统物理内存超过 4GB 时，必须使用CPU 的扩张分页（PAE）模式所提供的64位页目录项才能取到 4GB以上的物理内存，这需要 CPU 的支持。加入了 PAE 功能的 Intel Pentium Pro 及其后的 CPU 允许内存最大可配置到 64 GB，具备 36 位物理地址空间寻址能力。

由此可见，在 3 ~ 4 GB 之间的内核空间中，从低地址到高地址依次为：物理内存映射区----- 隔离带----- vmalloc虚拟内存分配器----- 隔离带----- 高端内存映射区----- 专用页面映射区----- 保留区。

2，kmalloc()

void   *kmalloc(size_t size,int flags);

给 kmalloc() 的第一个参数是要分配的块的大小，第二个参数为分配标志，用于控制kmalloc() 的行为。

最常用的分配标志是 GFP_KERNEL，其含义是在内核空间的进程中申请内存。kmalloc()的底层依赖 __get_free_pages()实现，分配标志的前缀 GFP 正好是这个底层函数的缩写。使用 GFP_KERNEL 标志申请内存时，若暂时不能满足，则进程会睡眠等待页，即会引起阻塞，因此不能再中断上下文或持有自旋锁的时候使用 GFP_KERNEL 申请内存。

3，slab

slab不是要代替 __get_free_pages()，其在最底层仍然依赖于 __get_free_pages()，slab在底层每次申请 1 页或多页，之后再分隔这些页为更小的单元进行管理，从而节省了内存，也提高了 slab 缓冲对象的访问效率。