Linux2.6 32位内核地址空间详解与分布

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"Linux2.6 32位内核地址空间分布图展示了在Linux操作系统中，32位内核如何组织和分配其有限的地址空间。这张图涵盖了不同的区域，如固定地址空间、内核映射区、页表和其他关键组件。在描述中提到了几个关键点，包括节点（NUMA）的分配策略，以及内核对超过896MB内存的处理方式。" 在Linux2.6的32位内核中，地址空间的分布至关重要，因为它限制了可以直接寻址的内存总量。在32位系统中，最大可寻址内存通常为4GB，但这个空间需要被内核和用户进程共享。以下是地址空间的关键部分： 1. **固定地址空间（FIXADDR）**：这是地址空间的一部分，包含了不可移动的内核对象，如早期初始化的函数指针、硬件异常向量等。FIXADDR_START标志着这一区域的开始，而FIXADDR_TOP是结束位置。这部分内存是在系统启动时预先分配的，并且在运行过程中不会改变。 2. **vsyscall区域**：位于VSYSCALL_ADDR，这个区域提供了向后兼容的系统调用接口，使得32位应用可以使用某些64位系统调用功能。VSYSCALL_ADDR之上是未使用的空间，有时称为"洞"（unused hole）。 3. **内核映射区（KMAP）**：KMAP_BEGIN和KMAP_END之间的区域用于映射物理内存页面到内核虚拟地址空间，主要服务于动态映射和非连续内存的处理。kmap_atomic()和kunmap_atomic()函数分别用于原子上下文中的临时映射和解除映射。 4. **页表**：虽然没有直接在描述中提及，但在32位Linux内核中，页表结构占据了一部分地址空间，用于管理物理内存到虚拟地址的映射。随着内存大小的增加，这部分内存的需求也会增加。 5. **NUMA节点地址**：在多处理器系统（NUMA）中，每个节点（node）有自己的内存，地址空间会根据节点进行分配。对于node0，它的空间包含它所管理的所有页描述符。对于其他节点（nid > 0），它们的空间计算公式是(size = (node_end_pfn[nid] - node_start_pfn[nid] + 1) * sizeof(struct page) + sizeof(pg_data_t))。这里的node_start_pfn和node_end_pfn定义了节点的页框架范围。 6. **Bootmem分配**：在描述中提到，node0的页描述符空间由bootmem系统动态分配。Bootmem是Linux内核中的一种内存分配器，负责在系统启动时分配内存。总结起来，Linux2.6 32位内核地址空间的分布是精心设计的，以优化内存管理和性能。它不仅要考虑到内核自身的需要，还要为用户进程预留足够的空间，并适应不同配置的硬件，尤其是当内存大于896MB时，需要更复杂的内存管理策略。通过理解这些分布，开发者可以更好地调试内核问题，优化内存使用，以及进行系统级编程。

注：
1. 假设有4个节点。
2. 假设有大于896MB的内存。
3. 除node0外，其他的每个node所占的空间为:
size = (node_end_pfn[nid] - node_start_pfn[nid] + 1) * sizeof(struct page) + sizeof(pg_data_t)
4. node0所占的空间为它所管理的页描述符的空间
(node_end_pfn[0] - node_start_pfn[0] + 1) * sizeof(struct page)由bootmem系统动态分配。

+---- 0xffffffff ---+-----------+-----------------------------------------------+--------------+
| | | unused hole |++++++++++++++|
| 0xfffff000 ---|-----------+------------| FIXADDR_TOP |--------------------|++++++++++++++|
| | | vsyscalls |++++++++++++++|
| 0xffffe000 ---+-----------+------------| VSYSCALL_ADDR |------------------|++++++++++++++|
| | | |++++++++++++++|
| 0xfffdc000 ---+-----------+------------| KMAP_BEGIN |------------------|++++++++++++++|
| | | kmap_atomic()/kunmap_atomic() |++++++++++++++|
| 0xfff75000 ---+-----------+------------| KMAP_END |------------------|++++++++++++++|
| | | |++++++++++++++|
| 0xfff6e000 ---+-----------+------------| FIXADDR_START |------------------|++++++++++++++|
128MB | | |++++++++++++++|
| 0xfff5d000 ---+-----------+------------| FIXADDR_BOOT_START |-------------|++++++++++++++|
| | | kmap_high()/kunmap_high() |++++++++++++++|
| 0xff800000 +----+-----------+------------| PKMAP_BASE |---------------------|++++++++++++++|
| | | 8KB | hole | kernel space |
| | +-----------+------------| VMALLOC_END |------------------|++++++++++++++|
| | | | vmalloc/ioremap space |++++++++++++++|
| | +-----------+-----------------------------------------------|++++++++++++++|
| 120MB | 4KB | 4kb hole on interval of per vmalloc() |++++++++++++++|
| | +-----------+-----------------------------------------------|++++++++++++++|
| | | | vmalloc/ioremap space |++++++++++++++|

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