Linux 内存布局

本文主要简介在X86体系结构下和在ARM体系结构下，Linux内存布局的概况，力求简单明了，不过多深入概念，多以图示的方式来记忆理解，一图胜万言。

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X86体系结构

在X86体系结构下，物理内存地址一般从0x0000_0000开始，而Linux内核主要按照在物理地址0x0010_0000开始的地方，即物理地址1M以上的空间。那最开始的1M空间是用来干什么的呢？

考虑到通用的IBM-PC体系结构，最开始的1M空间由BIOS例程和映射ISA图形卡的内存，这块区域为了所有IBM兼容PC从640K到1M的物理地址，始终存在，但无法被操作系统使用。

主要内存布局如上图所示：

mmap映射区向下扩展，堆向上扩展，两者相对扩展，直到耗尽虚拟地址空间中的剩余区域。

BSS段用来存放程序中未初始化的全局变量，该段内容只记录数据所需空间大小，并不分配真实空间。

DATA段用来存放程序中已初始化的全局变量，为数据分配空间，数据具体值保持在目标文件中。

CODE段用来存放程序中执行代码的内存区域，通常为大小确定的只读段，包括只读常量、只读代码等。

参考资料：从加载到进入kernel运行的内存布局变化

Linux系统启动过程分析

ARM体系结构

以S3C2410为例子，假设物理内存为64M，映射到ARM的起始物理地址为【0x3000_0000~0x3200_0000】，这个由硬件接线决定。我们可以通过查看内核编译输出的System.map文件来了解内核虚拟地址空间布局，结果类似如下：

可以看出内核镜像大小为3.7M，虚拟地址空间起始地址为0xc000_0000(这是开启MMU之后的虚拟地址空间)，在内核head.S文件中，有内核线性地址和物理地址的描述，见下图：

PAGE_OFFSET为0xC000_0000,为内核虚拟地址相对偏移(相对于0地址的偏移)，PHYS_OFFSET为内核载入实际物理地址相对偏移，不同的硬件板子，ARM访问的内存物理地址不一样，这里以0x3000_0000(这由硬件接线决定)为假设。TEXT_OFFSET为0x0000_8000,为编译时指定的代码段偏移，所以，uboot最后启动内核的地址为内核代码指定的KERNEL_RAM_PADDR(0x3000_8000)，这样才能正常运行，而内核的入口地址和载入地址，最好设置成一样。而uboot加载kernel的实际地址设置为0x3000_7fc0,比KERNEL_RAM_PADDR少64个字节，这可以避免拷贝内核,64个字节为uImage内核镜像针对uboot添加的特定头部信息。

从上面的检查宏可以看出，内核开始的物理地址，必须开始在0xXXXX_8000的地址空间。

swapper_pg_dir 为内核全局页表的起始地址，stext为内核的入口虚拟地址，因此，可以看出，全局页表占据16K的空间。

head.S文件的功能，主要获取处理器类型和机器类型信息，创建临时页表，然后开启MMU，并进入第一个C语言函数start_kernel。

更加详细的可以参见：

    http://www.arm.linux.org.uk/developer/memory.txt

内核提供的内存访问接口

内核提供的所有接口都是以页为单位分配内存的，其中，最核心的函数为alloc_pages，其原型如下：

struct page * alloc_pages(unsigned int gfp_mask,unsigned int order)

该函数分配2^order个连续的物理页，并返回指向第一个页的指针。如果分配出错，返回NULL。其他的一些页分配接口。

1. kmalloc/kfree: 基于slab分配器的内存分配函数，支持分配大小32byte-128KB，分配的为物理地址连续的一段内存，使用GFP_KERNEL时，函数可能睡眠。使用GFP_ATOMIC时，函数不睡眠。

kzalloc：基于kmallc的，分配一段内核内存并且清零。

2.vmalloc/vfree:工作在内核虚拟空间的VMALLOC_START和VMALLOC_END所代表的vmalloc区，支持分配大内容，分配为逻辑地址连续的一段内存，速度慢，效率低，可能睡眠，映射的地址优先从ZONE_HIGHMEM分配.

3.利用slab分配器的高速缓存，使用kmem_cache_create和keme_cache_alloc这两个函数。/proc/slabinfo查看所有的kmem_cache缓存。 keme_cache_alloc 用于需要频繁分配和释放同一类型的数据结构对象,充分利用硬件缓存，提升系统性能。

相反的处理函数有kmem_cache_destory和kmem_cache_free

4.用于多处理器的per-CPU变量，核心思想是，通过为系统中每个处理器都分配一个CPU特定的变量副本，减少多处理器并发访问时的锁定操作，提高系统性能。

强烈推荐优秀参考链接：arm-linux启动过程

Linux 内存使用方法详细解析