Linux 高端内存处理

Question

什么是高端内存？

当物理地址大小接近或者达到虚拟内存的最大值时，会使用高端内存( highmem )。那时对于内核来说不可能维护所有可用的物理内存映射。这意味着内核开始对要被访问的物理内存片段使用临时映射。

这部分没有被永久映射的(物理)内存就是我们所提及的"高端内存"。高端内存的边界具体位于哪里，有各种各样的体系结构相关的限制。

举个例子，在 i386 体系结构中，我们选择将内核映射到每个进程的 VM 空间，这样我们不需要在进入内核态或者从内核态退出时无效所有的 TLB。这意味可用的虚拟内存空间( i386 是 4G )需要在用户地址空间和内核地址空间分割。

多个体系结构传统划分方法是 3:1， 3GiB 属于用户空间，高端的 1GiB 是内核空间:

	+--------+ 0xffffffff
	| Kernel |
	+--------+ 0xc0000000
	|        |
	| User   |
	|        |
	+--------+ 0x00000000

这意味着内核任意一次最多只能映射 1GiB 物理内存，但因为我们需要虚拟地址空间做其他的 事情-包括使用临时映射去访问剩余的物理内存-直接映射实际会更少(通常约 896MiB )。

其他用 TLB 来标记内存管理的体系结构有独立的内核空间和用户空间映射。然而一些硬件 (比如 ARM 系列)，当它们使用内存管理上下文标记时有有限的虚拟空间。

临时虚拟映射

内核包括以下几种创建临时映射的方法：

• vmap() . 该函数用来将多个物理页面长久映射到一个连续的虚拟地址空间。 unmap 时需要 做全局的同步。

• kmap() . 这个函数允许做一个独立页面的短时映射。它需要全局同步，但是有所摊销。 kmap() 以嵌入方式使用时易于死锁，所以新写的代码并不推荐使用。

• kmap_atomic() . 这个函数允许对一个独立页面做非常短的映射。因为这种映射局限于 所影响的 CPU，所以这个函数工作的很好，但也因此所涉及的任务要求一直在原来的 CPU 上 执行直到任务结束, 以免其他任务替换该映射。

  kmap_atomic() 也可能被中断上下文所使用，因为该函数不会休眠并且引用者也是直到 kunmap_atomic() 被调用时才会休眠.

  这可能被认为 k[un]map_atomic() 不会失败。

使用 KMAP_ATOMIC

何时何地使用 kmap_atomic() 是简单明了的。当代码想访问从高端内存分配所分配页面的内 容(看 __GFP_HIGHMEM )，比如当一个页面”在页缓冲“。有两个相关的API函数，可以像如下方式使用：

/* 寻找“感兴趣”的页面 */
struct page *page = find_get_page(mapping, offset);

/* 获得访问那个页面内容的地址 */
memset(vaddr, 0, PAGE_SIZE);

/* 解除映射那个页面 */
kunmap_atomic(vaddr);

注意 kunmap_atomic() 使用的是 kmap_atomic() 的结果，而不是 kmap_atomic() 的参数.

如果需要映射两个页面因为向从一个页面复制到另一个页面，必须保证 kmap_aotmic 调用严格 嵌套，比如：

vaddr1 = kmap_atomic(page1);
vaddr2 = kmap_atomic(page2);

memcpy(vaddr1, vaddr2, PAGE_SIZE);

kunmap_atomic(vaddr2);
kunmap_atomic(vaddr1);

临时映射的代价

创建临时映射的代价可谓是很大的。框架必须管理内核的页表，数据 TLB，也许或者必须处理 MMU的寄存器。

如果 CONFIG_HIGHMEM 没有选中，这是内核将尝试并且简单创建一个算术位的映射，这个映射 将转换页面结构体地址为一个指向页面内容的指针，"而不是篡改的映射"。在这种情况下， unmap 操作也许可能是一个空操作。

如果 CONFIG_MMU 没有被选中，就不可能有临时映射和高端内存。这种情况下，"算术方法"也将被 使用。

i386 PAE

i386 体系结构在一些情况下允许 32 位机器访问到 64GiB RAM。这会带来很多后果:

• Linux 系统里对每个页要求有一个页帧结构，并且这些页帧要以永久映射方式存在，这 意味着:

• 最多有 896M/sizeof(struce page) 个页帧项； 一个页结构体大小为 32 字节, 那将 可存储大约 112G的页面`; 然而kernel在内存中不仅仅需要保存页表。。。

• PAE 可以使得页表变的更大一些 - 这会使系统变慢，因为更多的数据要被访问需要 TLB 来回 转载等等. 一个优势是 PAE 有更多的 PTE 位并且能提供更高级的功能如 NX 和 PAT。

通常建议在 32 位机器上不要使用超过 8GiB 的内存-尽管更大的内存对你或者你的工作负载有用, 你得自己聪明一点-不要期待内核开发者当系统崩溃时真的会有多在意。