Linux實現(xiàn)原理-虛擬內(nèi)存技術(shù)簡析

Linux實現(xiàn)原理—虛擬內(nèi)存技術(shù)簡析虛擬內(nèi)存技術(shù)虛擬內(nèi)存技術(shù)是操作系統(tǒng)實現(xiàn)的一種高效的物理內(nèi)存管理方式，具有以下作用：使得進程間彼此隔離：通過將物理內(nèi)存和虛擬地址空間聯(lián)系起來，并將虛擬地址空間與進程一一對應(yīng)，每個進程都認(rèn)為自己擁有了整個物理內(nèi)存，使得進程之間彼此隔離。這讓操作系統(tǒng)在運行多個進程的同時也保障了內(nèi)存訪問的安全。使得進程共享物理內(nèi)存：將物理內(nèi)存進行虛擬化后，多個進程可以同時共享同一塊物理內(nèi)存。提升物理內(nèi)存利用率：有了虛擬地址空間后，操作系統(tǒng)只需要將進程當(dāng)前正在使用的部分?jǐn)?shù)據(jù)或指令加載入物理內(nèi)存，沒有在使用的部分?jǐn)?shù)據(jù)或指令則可以存儲在外存中，而不需要將整個進程的數(shù)據(jù)或指令全部載入物理內(nèi)存。這使得操作系統(tǒng)可以在相對較小的物理內(nèi)存下運行更多的進程，從而提升了物理內(nèi)存的利用率。方便內(nèi)存管理：虛擬內(nèi)存技術(shù)將物理內(nèi)存分割成若干塊，每塊都可以分配給不同的進程使用，這使得操作系統(tǒng)可以更加靈活地管理內(nèi)存。如物理內(nèi)存分配、回收等。頁式內(nèi)存管理技術(shù)頁式內(nèi)存管理技術(shù)是Linux實現(xiàn)的一種虛擬內(nèi)存技術(shù)，其基本思想是將物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存都分割成多個固定大小的Page（頁），然后對這些Pages進行編址，并通過PageTable（頁表）將它們一一映射起來。當(dāng)CPU訪問虛擬地址空間時，Linux會通過PageTable將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。VirtualAddress（虛擬地址）：操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序使用的虛擬內(nèi)存地址。PhysicalAddress（物理地址）：實際的物理內(nèi)存地址。Linux通過頁式內(nèi)存管理技術(shù)，除了能夠高效地管理物理內(nèi)存之外，還提供了許多額外的虛擬內(nèi)存功能，例如：進程隔離、內(nèi)存保護、共享物理內(nèi)存等。虛擬地址格式與頁表（32bit系統(tǒng)）在x8632bitLinux系統(tǒng)中，虛擬地址（也稱為線性地址，LinearAddress）的格式由3部分組成，總長度為32bit，尋址范圍為2^32，最大可描述空間為4G。PageTableDirectory（10bit）PageTableEntry（10bit）Offset（12bit）在Kernel中用于對虛擬地址進行尋址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為KernelPageTable（內(nèi)核頁表），包括：頁表目錄（PageDirectory）：可包含1024個目錄項。目錄項（DirectoryEntry）：每個目錄項指向一個頁表，即有1024個頁表。頁表（PageTable）：大小為4KB，頁表項的大小為4B，即一個頁表可包含1024個頁表項。頁表項（PageTableEntry）：每個頁表項指向一個頁。屬性標(biāo)記：用于將每個頁表項標(biāo)記為只讀、可寫、只執(zhí)行等，以控制內(nèi)存的訪問權(quán)限和緩存行為?？梢?，32bit系統(tǒng)中的2級頁表結(jié)構(gòu)，最多可以映射1024*1024個Pages。而對于大于4GB的物理地址空間，則需要使用多級級頁表結(jié)構(gòu)，以支持更大的物理內(nèi)存空間。虛擬地址格式與頁表（64bit系統(tǒng)）在x8664bit系統(tǒng)中，可以描述的最長地址空間為2^64（16EB），遠遠超過了目前主流內(nèi)存卡的規(guī)格，所以在Linux中只使用了48bit長度，尋址空間為2^48（256TB），UserSpace和KernelSpace各占128T。尋址空間分別為：UserSpace：0x0000000000000000～0x00007FFFFFFFF000，高16bit全0。CanonicalAddressSpace：0x00007FFFFFFFF000-0xFFFF800000000000，無效地址空間。KernelSpace：0xFFFF800000000000～0xFFFFFFFFFFFFFFFF，高16bit全1。由于內(nèi)存空間的擴大，x8664bit系統(tǒng)中的虛擬地址格式由5部分組成，占64bit中的48bit。相應(yīng)的，LinuxKernel在v2.6.10中實現(xiàn)了四級頁表，后來又在v4.11中引入了五級的頁表結(jié)構(gòu)。就四級頁表而言，虛擬內(nèi)存空間被劃分成了4個層次結(jié)構(gòu)，每一級都有一個頁表來記錄該層次的映射關(guān)系。PGD（PageGlobalDirectory，全局頁目錄）PUD（PageUpperDirectory，上級頁目錄）PMD（PageMiddleDirectory，中間頁目錄）PTE（PageTableEntry，頁表項）當(dāng)CPU需要訪問一個虛擬地址時，會執(zhí)行以下頁表遍歷流程：首先根據(jù)虛擬地址的GLOBALDIR（9bit），確定在PGD中的頁表項，開始尋址PUD。再根據(jù)虛擬地址中的UPPERDIR（9bit），確定PUD中的頁表項，開始尋址PMD。再根據(jù)虛擬地址中的MIDDLEDIR（9bit），確定PMD中的頁表項，開始尋址PTE。再根據(jù)虛擬地址中的TABLEID（9bit），確定PTE中的頁表項，開始尋址PhysicalPage（物理內(nèi)存頁框）。最后根據(jù)虛擬地址中的OFFSET（12bit），確定PhysicalPage中的PageLane（頁條）。在頁表遍歷的過程中，如果找到對應(yīng)的物理頁框，則可以進行對應(yīng)的內(nèi)存讀寫操作。反之，如果遇到了尋址失敗的情況，則說明對應(yīng)的物理頁框沒有被分配或者被換出到外存了，此時需要進行相應(yīng)的頁表調(diào)度和頁表交換操作。四級頁表的優(yōu)點是它可以映射非常大的虛擬內(nèi)存空間，并且每個進程的頁表都是獨立的，相互干擾。缺點是每次訪問內(nèi)存都需要遍歷四級頁表，這會導(dǎo)致一定的性能損失。并且，當(dāng)Linux設(shè)定的虛擬頁大小越小時，單個進程中的頁表項和虛擬頁也就越多，頁表的層級也可能越多，查詢性能就越低。同時也需要注意，頁面并非是越大越好，因為過大的頁面會造成內(nèi)存碎片，降低了內(nèi)存的利用率。因此，Linux采用了一些優(yōu)化措施，如TLB（TranslationLook-asideBuffer）緩存等，來加速頁表遍歷的過程。CPUMMU虛實地址轉(zhuǎn)換Linux虛實地址轉(zhuǎn)換功能，除了需要由Kernel實現(xiàn)的內(nèi)核頁表（PageTable）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之外，還需要硬件層面的CPUMMU（MemoryManagementUnit，存儲管理單元）支持。MMU（MemoryManagementUnit，內(nèi)存管理單元）內(nèi)嵌在CPU芯片上，它是一個專用的硬件，利用存放在MainMemory中的PageTable來輔助完成虛實地址之間的動態(tài)翻譯，而PageTable的內(nèi)容就交由Kernel來統(tǒng)一管理。當(dāng)CPU訪問虛擬地址時，MMU首先將虛擬地址的高位部分作為頁表的索引，查找對應(yīng)的頁表項。頁表項中存儲了與虛擬頁對應(yīng)的物理頁的起始地址以及一些標(biāo)志位，如是否可讀、可寫等。然后，MMU將虛擬地址的低位部分作為偏移量，加上物理頁的起始地址，得到實際的物理地址。TLS快表轉(zhuǎn)換TLB（TranslationLook-asideBuffer，翻譯旁路緩沖器）同樣是內(nèi)嵌在CPU芯片上的一個專用硬件，作為緩存，旁掛在MMU上，緩存了最近訪問過的虛擬地址與物理地址之間的映射關(guān)系，以便在下次訪問時快速地進行翻譯。TLB的空間非常有限，一般只可緩存幾十個到數(shù)百個條目。通過TLB，操作系統(tǒng)可以旁路掉多級頁表遍歷的流程，只需要在TLB中執(zhí)行一次高速訪問即可，前提是沒有TLBMiss（緩存失效）。如果Miss的話，就會回到常規(guī)的頁表遍歷流程，然后再利用局部性原理去更新TLB。虛擬地址空間與CPU運行模式為了保障多任務(wù)實時操作系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，Intelx86CPU提供了Ring0-3這4種不同的運行模式，而Linux只使用了其中的Ring0（特權(quán)指令模式）和Ring3（非特權(quán)指令模式），為虛擬地址空間提供了2級保護機制。相應(yīng)的，在32bitLinux系統(tǒng)中，大小為4G的虛擬地址空間，被分成了2個部分：UserSpace（0x0～0xBFFFFFFF，0～3G）：每個UserProcess都有自己的UserSpace且互相隔離。運行在CPURing3（用戶模式）模式，UserProcess的代碼被限制了可以執(zhí)行的操作以及可以訪問的資源范圍；KernelSpace（0xC0000000～0xFFFFFFF，3～4G）：屬于Kernel的KernelSpace。運行在CPURing0（內(nèi)核模式）模式，Kernel代碼沒有被限制，可以執(zhí)行任何操作并且可以訪問任何資源。所以，Linux中的PageTable也可以被分為2種：內(nèi)核頁表區(qū)：用于KernelSpace高端內(nèi)存映射區(qū)與物理地址空間之間的映射。進程頁表區(qū)：每個UserProcess擁有自己的頁表，用于進程虛擬地址空間與物理地址空間之間的映射。另外，UserSpace可以通過SCI（系統(tǒng)調(diào)用接口）來訪問或操作KernelSpace的代碼和數(shù)據(jù)，同時也會觸發(fā)CPU運行模式的切換。例如：C標(biāo)準(zhǔn)庫中的malloc()函數(shù)底層調(diào)用了sbrk()或brk()SCI來分配堆內(nèi)存；printf()函數(shù)底層調(diào)用了wirte()SCI來輸出字符串等等。虛擬地址空間的布局（32bit系統(tǒng)）從上圖可以看出Linux對虛擬地址空間作了復(fù)雜的分段布局，主要是為了實現(xiàn)更加高效的內(nèi)存管理和保護機制。以UserSpace為例：持久化的程序流代碼（順序程序流、條件程序流、循環(huán)程序流）存儲在TestSegment中。持久化的、且初始化的常量、全局變量、靜態(tài)變量（包括靜態(tài)全局變量、靜態(tài)局部變量）存儲在DataSegment中。持久化的、但未初始化的全局變量、靜態(tài)變量（包括靜態(tài)全局變量、靜態(tài)局部變量）存儲在BSSSegment中。臨時的函數(shù)局部變量存儲在StackSegment中。臨時由用戶自主申請的數(shù)據(jù)存儲HeapSegment或MMAPSegment中。劃分不同的存儲空間更有助于針對不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行合理的訪問和存儲規(guī)劃。例如：提高CPUCache利用率：將指令區(qū)、持久數(shù)據(jù)區(qū)、動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)進行分離，有利于應(yīng)用局部性原理來發(fā)揮出CPUInstructionCache（指令緩存）和DataCache（數(shù)據(jù)緩存）的優(yōu)勢。節(jié)省內(nèi)存空間：如果系統(tǒng)中運行多個該程序的副本時，指令區(qū)中的ReadOnly數(shù)據(jù)可被共享，物理內(nèi)存實際上只需要存儲一份。UserSpace在UserSpace中，每個UserProcess都有一個task_struct（進程描述符）。structtask_struct{pid_tpid;//UserProcessIDpid_ttgid;//KernelThreadIDstructfiles_struct*files;//文件描述符structmm_struct*mm;//內(nèi)存映射描述符...}其中，除了EnvironmentVariables（程序運行時環(huán)境變量）和Command-linearguments（程序運行指令行參數(shù)）之外，進程虛擬地址空間的內(nèi)存布局都通過mm_struct結(jié)構(gòu)體來進行描述。StackSegment（用戶棧）UserProcess下屬的每個UserThread都有屬于自己的用戶線程棧。主要用于存儲以下信息：存儲函數(shù)調(diào)用信息（ProcedureActivationRecord，過程活動記錄）或棧幀（StackFrame）。存儲函數(shù)內(nèi)部的非靜態(tài)（Non-static）變量；提供臨時存儲區(qū)，使用C標(biāo)準(zhǔn)庫alloca()函數(shù)可動態(tài)申請棧內(nèi)內(nèi)存。StackSegment的空間具有“靜態(tài)分配"和“動態(tài)分配”這2種使用形勢。其中，靜態(tài)分配由C編譯器自動分配和管理，主要應(yīng)用在函數(shù)處理流程。而動態(tài)分配則由程序通過alloca()函數(shù)主動申請和釋放。例如：在一次函數(shù)調(diào)用中，C編譯器依次入棧的數(shù)據(jù)包括：主調(diào)函數(shù)下一條語句（指令）；被調(diào)函數(shù)的返回值地址；被調(diào)函數(shù)的實際參數(shù)；被調(diào)函數(shù)局部變量等。通過先進后出（FILO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得被調(diào)函數(shù)退出后，可以繼續(xù)執(zhí)行主調(diào)函數(shù)的語句。StackSegment是一塊連續(xù)的空間，運行時大小可以由Kernel動態(tài)調(diào)整（向下增長），且最大容量RLIMIT_STACK（8M）由系統(tǒng)預(yù)先定義，用戶也可以通過ulimit-s指令來查看和設(shè)定棧的最大值。$ulimit-s8192當(dāng)程序入棧數(shù)據(jù)超出容量之后，就會觸發(fā)StackOverflow（溢出）錯誤，此時程序收到一個SegmentationFault（段錯誤）異常。函數(shù)調(diào)用棧的工作原理程序每執(zhí)行一次函數(shù)調(diào)用都會在Stack中生成一個棧幀（StackFrame），對應(yīng)著一個未運行完的主調(diào)函數(shù)，用于存儲被調(diào)函數(shù)的執(zhí)行環(huán)境信息，包括：函數(shù)實際參數(shù)、函數(shù)局部變量、函數(shù)返回值地址等等。棧幀主要通過兩個指針寄存器來實現(xiàn)：ebp（幀指針）：指向幀底，作為基址指針，不會移動。esp（棧指針）：指向棧頂，可以移動，通過移動esp來訪問棧幀中的數(shù)據(jù)。ebp到esp之間的地址空間就是用于存儲當(dāng)前被調(diào)函數(shù)執(zhí)行環(huán)境信息的空間。另外，StackSegment很可能會同時存在多個棧幀（函數(shù)嵌套調(diào)用），此時多個棧幀會根據(jù)函數(shù)調(diào)用順序在StackSegment中先入后出。例如：雖然esp會隨著當(dāng)前函數(shù)的入棧和出棧而不斷移動，但由于ebp的存在，所以當(dāng)前函數(shù)棧幀的邊界始終是清晰的。當(dāng)被調(diào)函數(shù)退出后，ebp就會跳到主函數(shù)棧幀的底部，esp也會隨其自然的來到主函數(shù)棧幀的頭部。MemoryMappingSegment（內(nèi)存映射段）MemoryMappingSegment（內(nèi)存映射段）的空間通過mmap()SCI（系統(tǒng)調(diào)用接口）來使用，用于將外存（e.g.硬盤）中的一個文件、或一段物理內(nèi)存直接映射到MemoryMappingSegment中，而后UserProcess就可以采用指針的方式來訪問一段內(nèi)存，而不必再調(diào)用read()/write()等SCI。mmap()是一種高效的I/O方式。MemoryMappingSegment主要有2類應(yīng)用場景：Filemappings（文件映射）：在程序裝載過程中，將程序所需要#include的.so動態(tài)共享庫文件（Dynamicsharelibraries）加載到MemoryMappingSegment內(nèi)存空間。Anonymousmappings（匿名內(nèi)存映射）：C標(biāo)準(zhǔn)庫malloc()函數(shù)的底層實現(xiàn)方式之一就是對大于MMAP_THRESHOLD（默認(rèn)為128KB）的空間申請，會調(diào)用mmap()SCI從MemoryMappingSegment中分配，而不是調(diào)用sbrk()或brk()SCI從Heap申請。MemoryMappingSegment的空間大小同樣可以由Kernel動態(tài)調(diào)整（向上增長）。HeapSegment（運行時堆）HeapSegment（運行時堆）的空間由程序自行使用，包括分配和釋放。例如：開發(fā)者可通過C標(biāo)準(zhǔn)庫malloc()函數(shù)申請并返回void*（無類型指針），且無名稱，只能通過指針訪問。在Kernel層面通過堆管理器來管理HeapSegment的空間。堆管理器通過鏈表存儲結(jié)構(gòu)來記錄HeapSegment空間的使用情況，記錄了包括：空閑的內(nèi)存地址、已使用的內(nèi)存地址等。當(dāng)程序申請一塊內(nèi)存時，堆管理器會遍歷鏈表尋找第一個空間大于所申請空間的節(jié)點，并返回地址給程序，然后將該節(jié)點從空閑鏈表中刪除。所以Heap空間中的多個內(nèi)存塊之間很可能是不連續(xù)的。當(dāng)目前的HeapSegment已經(jīng)沒有足夠的空間時（可能由于內(nèi)存碎片太多導(dǎo)致的），那么堆管理器可能會通過brk()或sbrk()SCI進行動態(tài)調(diào)整（向上增長），實際上是通過調(diào)整HeapSegment末端的break指針來實現(xiàn)。HeapSegment的空間總大小受到CPU架構(gòu)和操作系統(tǒng)位數(shù)影響，例如：32bit架構(gòu)的HeapSegment最大可達2.9G空間。應(yīng)用程序裝載與數(shù)據(jù)段當(dāng)開發(fā)者經(jīng)過編碼、編譯、匯編、鏈接一個C程序后就得到了一個可執(zhí)行程序的文件。然后，就需要通過程序裝載器（Loader）將可執(zhí)行文件加載到UserSpace中并啟動一個UserProcess。在Linux上，可執(zhí)行文件采用的是ELF（ExecutableandLinkableFileFormat，可執(zhí)行與可鏈接文件格式）格式。ELF文件由4部分組成，分別是：ELFHeaderProgramHeaderTable（程序頭表）Sections（節(jié)）SectionHeaderTable（節(jié)頭表）其中，位于ProgramHeaderTable和SectionHeaderTable之間的都是Sections，這些Sections中的數(shù)據(jù)會在程序啟動時被加載到相應(yīng)的進程虛擬地址空間中。關(guān)鍵的Sections包括以下幾個：.bss：存儲未初始化的全局變量和靜態(tài)變量。.data：存儲已初始化的全局變量和靜態(tài)變量。.rodata：存儲只讀數(shù)據(jù)（e.g.常量）。.text：存儲已編譯程序的機器指令代碼。.debug：調(diào)試符號表，調(diào)試器用此段的信息幫助調(diào)試。數(shù)據(jù)段（BSSSegment和DataSegment）BSSSegment和DataSegment常被合并稱為“數(shù)據(jù)段”，都用于存儲全局變量和靜態(tài)變量，區(qū)別于存儲在StackSegment中的函數(shù)局部變量。BSS（BlockStartedbySymbol，未初始化的數(shù)據(jù)段）：可讀寫，主要存儲了從ELF.bsssection中加載的數(shù)據(jù)，包括：1）已定義，但未初始化的全局變量和靜態(tài)變量；2）已定義，且初始值為0的全局變量和靜態(tài)變量，例如C編譯器中的空指針。DataSegment（已初始化的數(shù)據(jù)段）：可讀寫，主要存儲了從ELF.datasection中加載的數(shù)據(jù)，包括：已定義、且已初始化、且初值不為0的全局變量、靜態(tài)變量和常量。所以，DataSegment也被稱為“靜態(tài)存儲區(qū)（Staticdataarea）”。ELF.bsssection的特別之處在于沒有具體的數(shù)值，所以只需要記錄下全局變量和靜態(tài)變量所需要的內(nèi)存空間大小即可，但并不會分配真實的內(nèi)存空間，即：只記錄了全局變量和靜態(tài)變量在虛擬地址空間中的開始和結(jié)束地址。當(dāng)程序加載器（Loader）將ELF.bsssection加載到BSSSegment后，這些數(shù)據(jù)會被C編譯器自動的初始化為0或NULL。這樣可以有效的減少了Cobjectfile的體積。例如：對于intarr0[10000]={1,2,3,…}和intar1[10000]這兩個數(shù)組而言：arr0存儲在DataSegment，記錄了每個數(shù)組元素的數(shù)值。arr1存儲在BSSSegment，只記錄了arr1的起始和結(jié)束地址，直到程序啟動時才被編譯器在相應(yīng)的虛擬地址空間中刷0。顯著的減少了可執(zhí)行文件的大小。TextSegment（代碼段）TextSegment（代碼段）主要存儲了從ELF.textsection中加載的機器指令。TextSegment中的數(shù)據(jù)只能讀不能寫，但可以被執(zhí)行，即：TextSegment中的數(shù)據(jù)是可共享的，可以被其他的進程執(zhí)行。例如：機器中有數(shù)個進程運行相同的一個程序，那么它們就可以使用同一個代碼段?？梢姡琔serSpace劃分了明確的“數(shù)據(jù)區(qū)”和“指令區(qū)"，且數(shù)據(jù)區(qū)對于進程而言可讀寫，而指令區(qū)對于進程只讀，以防止程序指令被誤改。內(nèi)存缺頁中斷基于Linux虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，每個UserProcess都擁有自己獨立的虛擬地址空間，當(dāng)一個UserProcess被Kernel加載并運行時，無需要一次性將UserProcess所有數(shù)據(jù)都加載到MainMemory中，而是當(dāng)通過PageTable缺頁中斷的方式來動態(tài)加載。虛擬地址的頁表遍歷過程中，當(dāng)訪問到某個頁面時，通過頁表項中的有效位，可以得知此頁面是否在內(nèi)存中，如果不存在，則通過缺頁異常，將磁盤對應(yīng)的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存中，如果沒有空閑內(nèi)存，則選擇犧牲頁面，替換掉其他頁面。在這個時候，被內(nèi)存映射的文件實際上成了一個分頁交換文件。KernelSpaceKernelSpace與物理地址空間的映射關(guān)系區(qū)別于UserSpace只擁有虛擬地址空間。KernelSpace除了虛擬地址空間之外，還直接擁有一部分的物理地址空間。也就是說KernelSpace具有2種地址映射關(guān)系，如下圖所示。直接映射（LinearMapped）：KernelSpace虛擬地址空間中的3G～3G+896M與物理地址空間的0～896M直接一對一映射，擁有最高的效率。動態(tài)映射（DynamicMapped）：KernelSpace虛擬地址空間中的高端內(nèi)存映射區(qū)（0xF8000000~0xFFFFFFFF）動態(tài)的與物理地址空間896M～4G中的某塊物理頁面建立映射（通過PageTable），即：在有需要的時候才建立映射，待使用完之后就釋放映射，以供其它物理頁面映射。物理地址空間布局基于不同的用途，Linux將物理內(nèi)存劃分為3個ZONEs，從地址低到高為：ZONE_DMA（0～16M）：是Kernel直接映射的物理地址空間。ZONE_NORMAL（16M～896M）：是Kernel直接映射的物理地址空間，Kernel將需要頻繁使用的數(shù)據(jù)存放于此。ZONE_HIGHMEM（896M～4G）：是Kernel動態(tài)映射到物理地址空間，Kernel將不常用數(shù)據(jù)存放于此，只在要訪問這些數(shù)據(jù)時才建立映射關(guān)系。最終，通過結(jié)合兩種映射方式，LinuxKernel可以完全接管整個4G物理內(nèi)存空間。如下圖所示，藍色區(qū)域為直接映射空間，綠色區(qū)域為動態(tài)映射空間，棕色區(qū)域為動態(tài)映射頁面。物理直接映射區(qū)根據(jù)UserProcess對KernelSpace訪問權(quán)限的不同，還可以將KernelSpace分為“進程私有”和“進程共享”這2塊區(qū)域。進程私有區(qū)域：每個進程都有單獨的內(nèi)核棧、頁表、task結(jié)構(gòu)以及mem_map結(jié)構(gòu)等。進程共享區(qū)域：屬于所有進程共享的內(nèi)存區(qū)域，包括：物理存儲器、內(nèi)核數(shù)據(jù)和內(nèi)核代碼區(qū)域。KernelSpace中的物理直接映射區(qū)，屬于“進程共享區(qū)域"，是為了讓KernelSpace或者UserSpace可以直接訪問某些特殊的物理內(nèi)存區(qū)域。這些物理內(nèi)存區(qū)域包括：ZONE_DMA：NIC、GPU此類I/O外設(shè)所提供的DMAController只能對內(nèi)存的前16M進行尋址。為了方便設(shè)備驅(qū)動程序的實現(xiàn)，Linux通過物理直接映射區(qū)，使得Kernel和UserProcess可以直接訪問這些外設(shè)的存儲器。此外，在ZONE_DMA中還劃分了用于BIOSROM和VGA適配器的區(qū)域，地址為640K~1M。ZONE_NORMAL：常規(guī)內(nèi)存區(qū)域，沒有特殊的使用限制，主要用于UserProcess和Kernel之間的交互，以及作為文件緩存加快文件系統(tǒng)的訪問速度，避免頻繁地讀寫磁盤。例如：存放KernelImage（內(nèi)核代碼）、mem_map數(shù)組等數(shù)據(jù)?？梢?，物理直接映射區(qū)使得Kernel和UserProcess得以更方便地訪問一些特殊的物理內(nèi)存區(qū)域，從而簡化了操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動程序的編寫。DMA直接內(nèi)存訪問DMA（DirectMemoryAccess，直接內(nèi)存訪問）指的是主機的I/O外設(shè)對MainMemory的直接訪問。有了DMA機制之后，外設(shè)跟主存之間的數(shù)據(jù)交互主要由DMAController來完成的，從而避免了CPU（包括MMU）的參與。高端內(nèi)存映射區(qū)物理內(nèi)存中的ZONE_NORMAL（高端內(nèi)存區(qū)域）大小為4G-896M=3200M，遠遠大于KernelSpace剩余的1G-896M=128M虛擬地址空間。所以Kernel對ZONE_NORMAL的訪問需要采用動態(tài)映射的方式。KernelSpace中的128M統(tǒng)稱為“高端內(nèi)存映射區(qū)”，主要有以下3個部分組成：FixingKernelMa