一、概述

Linux内存管理有三大块——物理内存、虚拟内存和内存映射。

内存分配的流程是这样的：

一开始申请内存，分配的是虚拟地址空间内存：malloc、mmap等分配虚拟内存；等到寻址发生映射的时候才会由缺页异常来分配物理内存：缺页异常；如果内存不够，分配失败，那就要走回收内存流程：kswapd+LRU/active/inactive/watermark+swap(anno page)/swap cache/swap entry+cache(file-backed page和slab objects)；如果回收流程回收不到足够的内存，那么就走OOM流程：oom-killer；

所以，一开始的申请内存，是在虚拟地址空间的哪里？

 

二、划分

Linux mm_struct中有个属性task_size，他是用户地址空间的size，所以task_size的值就是地址空间中内核态地址空间和用户态地址空间的分界线。

地址：https://elixir.bootlin.com/linux/v5.8.12/source/include/linux/mm_types.h

内核里面是这样定义TASK_SIZE的：

地址：https://elixir.bootlin.com/linux/v4.1/source/arch/x86/include/asm/processor.h#L834

#ifdef CONFIG_X86_32 /* * User space process size: 3GB (default). */ #define TASK_SIZE PAGE_OFFSET #define TASK_SIZE_MAX TASK_SIZE #define STACK_TOP TASK_SIZE #define STACK_TOP_MAX STACK_TOP #else /* * User space process size. 47bits minus one guard page. The guard * page is necessary on Intel CPUs: if a SYSCALL instruction is at * the highest possible canonical userspace address, then that * syscall will enter the kernel with a non-canonical return * address, and SYSRET will explode dangerously. We avoid this * particular problem by preventing anything from being mapped * at the maximum canonical address. */ #define TASK_SIZE_MAX ((1UL << 47) - PAGE_SIZE) /* This decides where the kernel will search for a free chunk of vm * space during mmap's. */ #define IA32_PAGE_OFFSET ((current->personality & ADDR_LIMIT_3GB) ? \ 0xc0000000 : 0xFFFFe000)

内核里面是这样定义PAGE_OFFSET的：

地址：https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/arch/x86/Kconfig#L1454

参考链接：https://stackoverflow.com/questions/15526538/where-page-offset-value-in-linux-kernel-source-defined

arch/x86/include/asm/page_types.h : #define PAGE_OFFSET ((unsigned long)__PAGE_OFFSET) arch/x86/include/asm/page_32_types.h : #define __PAGE_OFFSET _AC(CONFIG_PAGE_OFFSET, UL) arch/x86/Kconfig: config PAGE_OFFSET hex default 0xB0000000 if VMSPLIT_3G_OPT default 0x80000000 if VMSPLIT_2G default 0x78000000 if VMSPLIT_2G_OPT default 0x40000000 if VMSPLIT_1G default 0xC0000000 depends on X86_32 The PAGE_OFFSET in arch/x86/Kconfig is the CONFIG_PAGE_OFFSET in page_32_types.h. Because the prefix 'CONFIG_' is added by make system automatically.

所以，page_size的值其实就是task_size的值。在x86_32上，page_offset默认值是0XC000 0000(3GB)；而task_size的最大值#define TASK_SIZE_MAX    ((1UL << 47) - PAGE_SIZE)是0X8000 0000 0000(128T)。

所以，在32bit和64bit系统上，用户态地址空间和内核态地址空间的结构是这样的：

 

三、申请的地址空间在哪里？

这部分主要参考《趣谈Linux操作系统》第二十二节，更多详情，烦请参看专栏内容。

对于用户地址空间，32bit和64bit的VMA结构几乎是一样的（见下图）。malloc分配的是堆，当申请的内存小于128KB的时候，走brk指针碰撞；mmap分配的是内存映射区。

对于内核地址空间而言，32bit和64bit的差别比较大。

32bit：

64bit：

对于内核地址空间的结构，32bit和64bit之所以差别巨大，是因为64bit不需要高端内存，而32bit需要最后的128M地址空间来映射高端内存，详情参看本文补充部分（高端内存zone_highmem）。

 

补充：ZONE_HIGHMEM

一、32bit

Linux在32bit机器上的#page_offset=0xc000 0000，即内核空间和用户空间是1G:3G。这就意味着内核有1G的地址线来映射物理内存，当实际内存大于1G的话（主板上插入的内存条），内核怎么访问多余的内存呢？

此时Linux将物理内存分成zone，物理内存地址的前16M为ZONE_DMA，16M~896M为ZONE_NORMAL，896M以后为ZONE_HIGHMEM。其中zone_dma和zone_normal又称为直接映射区，内核的地址空间可以直接映射这896M内存。这意味着在内核地址空间中用于访问ZONE_HIGEHMEM的地址空间实际上只有128M（内核有1G的地址空间，1G-896M=128M），为了访问多过内核地址空间的物理内存，就需要通过这128M做地址映射。

有三种方式（虚拟地址从低到高）：

vmalloc区持久映射区固定映射区

这时候内核页表是这么映射的：

对于zome_dma和zone_normal，因为内核有1G的地址线，所以可以直接映射，内核要访问这两个zone，直接虚拟地址减去page_offset；对于zone_highmem的物理内存，内核会用剩下的128M地址先来做映射，根据用途，会选用vmallock、持久映射或固定映射中的一种；

二、64bit

Linux在64bit机器上的#page_offset=0x8000 0000 0000（x86_64只用了48bit的地址线），也就是内核空间和用户空间都是128T。内核的128T地址空间完全可以覆盖当前机器插置的物理内存容量，所以不需要再划分出一个ZONE_HIGHMEM来映射访问内核地址线之外的空间。

 

这是一篇杂凑的随笔，如有错漏，烦请不吝指正！