news 2026/11/4 3:54:58

Linux 内核学习(16) --- linux x86-64 虚拟地址空间和区域

作者头像

张小明

前端开发工程师

1.2k 24
文章封面图
Linux 内核学习(16) --- linux x86-64 虚拟地址空间和区域

目录

      • x86_64 的虚拟地址空间
      • 直接映射区和 vmalloc 区域
      • I/O 统一编址与 ioremap
      • alloc_pages 内存

x86_64 的虚拟地址空间



直接映射区和 vmalloc 区域

内核虚拟地址空间直接映射区:

  • 直接映射区是内核虚拟地址空间中一段连续的区域,将物理内存按固定偏移(通常是PAGE_OFFSET)线性地映射到虚拟地址空间
  • 在x86_64架构上,物理地址0x0对应的内核虚拟地址通常是0xffff888000000000(即PAGE_OFFSET)

设计内核直接映射区原则:

  • 高效访问物理内存:通过简单的加/减偏移即可完成物理地址 ↔ 虚拟地址的转换,无需查页表
  • 用于大块连续物理内存的管理:内核初始化时会将大部分物理内存(如低端内存)通过直接映射区映射,便于快速分配(如伙伴系统分配的页)
  • 性能优化:避免频繁创建/销毁页表项,提高内存访问速度

局限性:
要求物理内存连续:直接映射区只能映射物理上连续的内存页
地址空间有限:在 32 位系统上,直接映射区大小受限(如896MB),无法覆盖全部物理内存(尤其在大内存系统中)
无法处理不连续物理内存:当需要大块虚拟连续但物理不连续的内存时,直接映射区无能为力

vmalloc内存区域:

  • vmalloc是内核提供的一个函数,它分配的内存在虚拟地址上连续,但物理地址可以不连续
  • 这些内存通过页表动态映射到vmalloc区域,通常位于直接映射区之上(在 64 位系统中位于较高地址)

设计原则:
解决物理内存碎片问题:当系统运行一段时间后,物理内存可能碎片化,难以分配大块连续物理内存,vmalloc允许用多个不连续的物理页拼成一个虚拟连续区域
支持大内存分配:适用于需要大块虚拟地址空间(如模块加载、I/O 映射、某些驱动缓冲区)但不要求物理连续的场景

局限性:
性能开销:每次访问都需要查页表;分配时需修改页表,可能触发TLB刷新
地址空间碎片:频繁的vmalloc/free可能导致vmalloc区域本身碎片化
不能用于原子上下文:因为可能睡眠(需分配页表等)

举例说明:

  1. kmalloc: 小内存分配通常使用直接映射区(slab/slob/slub分配器基于伙伴系统,返回直接映射的页)
  2. vmalloc: 加载内核(代码/数据可能较大而且无法保证物理连续)、某些 GPU/设备驱动的缓冲区
  3. ioreamp: 将设备I/O内存映射到vmalloc区域,因为设备地址不属于普通物理内存

I/O 统一编址与 ioremap

在ARM架构处理器中,I/O地址通常是与内存统一编址的(memory-mapped I/O,简称MMIO)

ARM架构 没有 为I/O操作提供独立的I/O地址空间(不像x86架构那样有专门的in/out指令和独立的I/O端口地址空间,
相反,ARM使用 内存映射 I/O(Memory-Mapped I/O, MMIO) 的方式

外设的寄存器(如UART、GPIO、定时器等)被映射到系统的物理内存地址空间中
CPU通过普通的加载(load) 和 存储(store) 指令(如LDR、STR)来访问这些地址,从而读写外设寄存器
这些地址通常位于系统地址空间的特定区域(例如,SoC厂商会指定外设寄存器位于0x40000000到0x5FFFFFFF等范围)

  1. 如何在内核空间读写 I/O 地址

ioremap(phys_addr, size)将一段物理I/O地址映射到内核的虚拟地址空间;
返回一个虚拟地址(void __iomem* 类型),后续通过readl()、writel()、ioread32()、iowrite32()等专用函数访问;
这些函数确保正确的内存访问语义(如禁止编译器优化、保证访问顺序、处理弱内存模型等)

举例如下:

// 使用 ioremap 的情况void__iomem*reg=ioremap(0xFED40000,4);// 映射4字节writel(0x12345678,reg);// 正确!通过虚拟地址访问

使用的物理空间如下:

物理地址空间:[0x00000000 - 0x3FFFFFFF]:系统 RAM(已线性映射)[0xFED40000 - 0xFED40FFF]:PCI 设备配置空间[0xFEC00000 - 0xFEC00FFF]:APIC 寄存器[0xFEE00000 - 0xFEE00FFF]:IOAPIC 寄存器 虚拟地址空间(内核部分):[0xffff888000000000]:直接映射区(RAM)[0xffffc90000000000]:vmalloc/ioremap 区域 ← ioremap 在这里分配虚拟地址 │ ↓ 建立页表映射[0xFED40000]物理 I/O 地址

alloc_pages 内存

alloc_pages()分配的物理内存,其对应的内核虚拟地址位于直接映射区(Direct Mapping Region),也叫线性映射区

alloc_pages()系列函数(包括__get_free_pages,kmalloc的底层也用它)的主要目的是分配连续的物理页面

为了能让内核代码访问这些物理内存,必须将它们映射到内核的虚拟地址空间

直接映射是一种最简单的映射方式:在系统启动早期,内核会建立一个从物理地址到虚拟地址的固定偏移映射。在大多数架构(如 x86-64)上,这个偏移是固定的(例如0xffff888000000000)

它在内核虚拟地址空间中的典型起始地址是__PAGE_OFFSET(例如0xffff888000000000)

地址转换:
当你调用alloc_pages(GFP_KERNEL, order) 并获得一个struct page*指针后,可以通过page_to_virt(page)宏来获取这块内存对应的内核虚拟地址

虽然alloc_pages()默认返回直接映射区的虚拟地址,但通过使用不同的标志,可以改变其行为,使其映射到其他区域:

  • GFP_HIGHUSER:当用于用户空间内存分配时(例如通过page fault处理程序),分配的物理页面最终会被映射到用户进程的虚拟地址空间,而不是内核的直接映射区。

  • __GFP_HIGHMEM(在 32 位系统上重要):在 32 位系统上,直接映射区大小有限(通常约896MB),无法映射所有物理内存超出部分称为“高端内存”,使用此标志分配的页面,其物理地址可能没有固定的内核虚拟地址。内核需要通过 kmap 等临时映射机制来访问它们
    但在 64 位系统上,由于虚拟地址空间极其庞大,已经废除了高端内存的概念,所有物理内存都可以线性映射

版权声明: 本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系邮箱:809451989@qq.com进行投诉反馈,一经查实,立即删除!
网站建设 2026/11/3 12:17:54

模拟信号在传感器中的应用:小白入门教程

从电压变化到数据读取:模拟信号在传感器中的真实世界应用你有没有想过,当你用手触摸温控面板时,它是如何“感知”温度的?或者,一株植物脚下的土壤湿度计,是怎么知道该不该提醒你浇水的?这些看似…

作者头像 李华
网站建设 2026/11/3 4:34:48

盘点 | 2026 工业数字人 TOP3 推荐榜单

2026 年工业领域 AI 数字人市场规模将达 102.4 亿元,越来越多企业开始寻求能真正落地生产、运维、培训全场景的数字人解决方案。本文将从技术适配、场景落地、成本效益三大维度,筛选出 2026 年最值得关注的 3 款工业数字人服务,为企业数字化转…

作者头像 李华
网站建设 2026/11/1 8:04:01

2026可落地商用数字人选型指南:TOP5产品深度测评与实战对比

数字人技术步入"深度应用"新阶段随着智能制造战略的深入推进,数字人已从"锦上添花"的辅助工具升级为"产线核心交互入口",私有化部署、系统协同性、断网可用性、专业知识适配成为选型核心指标。本文将从技术适配、场景落地…

作者头像 李华
网站建设 2026/11/3 7:38:10

12. SELinux 加固 Linux 安全

SELinux 介绍 基本原理SELinux默认策略允许apache进程访问在/var/www/html文件夹下的文件和文件夹,以及其 他一些具有httpd_sys_content_t上下文的文件夹,禁止访问具有其他不匹配标签的目录。在 SELinux 的保护下,apache进程不允许访问/tmp和…

作者头像 李华