Linux 核心高端內存映射三種方式詳解

核心線性地址空間分佈 (32位, 3G/1G 分割)

4GB (0xFFFFFFFF)
+--------------------------+
| Fixed Mapping (固定映射) |  4KB 隔離帶
|   (ACPI_BASE 等)         |
+--------------------------+
| Permanent Mapping (永久) |  4MB (kmap 區, PKMAP_BASE ~ FIXADDR_START)
|   高端內存長期映射       |
+--------------------------+
| VMALLOC Mapping (動態)   |  8MB~128MB (vmalloc 區, 線性連續物理不連續)
|   非連續內存映射         |
+--------------------------+
| Direct Mapping (直接)    |  896MB (PAGE_OFFSET=3GB ~ 3GB+896MB)
|   線性地址 = 3GB + 物理  |
+--------------------------+
3GB (0xC0000000)

高端內存定義

物理內存 > 896MB (直接映射區上限) 的部分稱為高端內存。核心無法直接通過線性地址訪問，必須建立臨時/永久映射。

三種映射方式

1. 映射到內核動態映射空間 (vmalloc)

• 函數：vmalloc() / vfree()
• 特點：線性地址連續，物理頁面可來自低端或高端內存，不要求物理連續。
• 適用：大塊非連續物理內存分配，如模塊加載、大數據結構。
• 缺點：需更新頁表，TLB 刷新，性能較直接映射差；映射建立/撤銷有開銷。

2. 永久內核映射 (kmap / kunmap)

• 映射區：PKMAP_BASE 到 FIXADDR_START (通常 4GB-8MB ~ 4GB-4MB)，4MB 空間，僅需一頁表，對應 pkmap_page_table。
• 函數：
  • void *kmap(struct page *page)：將高端 page 映射至永久區，返回線性地址。可睡眠 (可能等待映射槽位)。
  • void kunmap(struct page *page)：解除映射，釋放槽位。
• 限制：僅 1024 個並發映射槽位 (4MB / 4KB)，必須及時 kunmap，否則耗盡導致後續 kmap 阻塞甚至死鎖。
• 適用：需要長時間訪問高端內存的場景，如文件系統讀寫緩衝區。

3. 臨時映射 (kmap_atomic / kunmap_atomic)

• 映射區：固定映射區保留部分 (FIXADDR_START ~ FIXADDR_TOP)，每 CPU 專用槽位，每槽位一頁，按用途枚舉 (enum km_type) 劃分。
• 函數：
  • void *kmap_atomic(struct page *page, enum km_type type)：不可睡眠，禁用當前 CPU 抢佔，直接佔用對應 type 槽位，**覆蓋原有映射**。
  • void kunmap_atomic(void *addr, enum km_type type)：恢復抢佔。
• 特點：極快、無鎖、可在中斷上下文/軟中斷/任務佇列中使用。
• 適用：極短暫訪問高端頁，如網絡包處理、塊設備請求處理。

關鍵差異總結

用戶空間與高端內存

用戶進程無「高端內存」概念。進程缺頁中斷時，核心可將任意物理頁 (含高端內存) 映射進用戶地址空間。核心保留高端線性地址主要為訪問非直接映射的核心數據結構、設備內存等。