Netty学习之用户空间和内核空间

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一 linux 用户空间与内核空间——高端内存详解

Linux 操作系统和驱动程序运行在内核空间,应用程序运行在用户空间,两者不能简单地使用指针传递数据,因为Linux使用的虚拟内存机制,用户空间的数据可能被换出,当内核空间使用用户空间指针时,对应的数据可能不在内存中。

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1.1 Linux内核地址空间划分

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  • 通常32位Linux内核虚拟地址空间划分0~3G为用户空间,3~4G为内核空间(注意,内核可以使用的线性地址只有1G)。注意这里是32位内核地址空间划分

  • 64位地址时将0x0000,0000,0000,0000 – 0x0000,7fff,ffff,f000128T地址用于用户空间,而0xffff,8000,0000,0000以上为系统空间地址

  • 线性地址空间:是指Linux系统中从0x000000000xFFFFFFFF整个4GB虚拟存储空间。

  • 内核空间:内核空间表示运行在处理器*别的超级用户模式(supervisor mode)下的代码或数据,内核空间占用从0xC00000000xFFFFFFFF1GB线性地址空间,内核线性地址空间由所有进程共享,但只有运行在内核态的进程才能访问,用户进程可以通过系统调用切换到内核态访问内核空间,进程运行在内核态时所产生的地址都属于内核空间。

  • 用户空间:用户空间占用从0x000000000xBFFFFFFF3GB的线性地址空间,每个进程都有一个独立的3GB用户空间,所以用户空间由每个进程独有,但是内核线程没有用户空间,因为它不产生用户空间地址。另外子进程共享(继承)父进程的用户空间只是使用与父进程相同的用户线性地址到物理内存地址的映射关系,而不是共享父进程用户空间。运行在用户态和内核态的进程都可以访问用户空间

1.2 Linux内核高端内存的由来

  • 当内核模块代码或线程访问内存时,代码中的内存地址都为逻辑地址,而对应到真正的物理内存地址,需要地址一对一的映射,如逻辑地址0xc0000003对应的物理地址为0×30xc0000004对应的物理地址为0×4

  • 逻辑地址与物理地址对应的关系为物理地址 = 逻辑地址 – 0xC0000000:这是内核地址空间的地址转换关系,注意内核的虚拟地址在“高端”,但是ta映射的物理内存地址在低端。

逻辑地址 物理内存地址
0xc0000000 0×0
0xc0000001 0×1
0xc0000002 0×2
0xc0000003 0×3
0xe0000000 0×20000000
0xffffffff 0×40000000 ??
  • 假 设按照上述简单的地址映射关系,那么内核逻辑地址空间访问为0xc0000000 ~ 0xffffffff,那么对应的物理内存范围就为0×0 ~ 0×40000000,即只能访问1G物理内存。

  • 若机器中安装8G物理内存,那么内核就只能访问前1G物理内存,后面7G物理内存将会无法访问,因为内核 的地址空间已经全部映射到物理内存地址范围0×0 ~ 0×40000000

  • 即使安装了8G物理内存,那么物理地址为0×40000001的内存,内核该怎么去访问呢?代码中必须要有内存逻辑地址 的,0xc0000000 ~ 0xffffffff的地址空间已经被用完了,所以无法访问物理地址0×40000000以后的内存。

    显 然不能将内核地址空间0xc0000000 ~ 0xfffffff全部用来简单的地址映射。因此x86架构中将内核地址空间划分三部分:ZONE_DMAZONE_NORMALZONE_HIGHMEMZONE_HIGHMEM即为高端内存,这就是内存高端内存概念的由来。

    ZONE_DMA 内存开始的16MB

    ZONE_NORMAL 16MB~896MB

    ZONE_HIGHMEM 896MB ~ 结束(1G)

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1.3 Linux内核高端内存的理解

  • 前 面我们解释了高端内存的由来。 Linux将内核地址空间划分为三部分ZONE_DMAZONE_NORMALZONE_HIGHMEM,高端内存HIGH_MEM地址空间范围为0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF(896MB~1024MB)。那么如内核是如何借助128MB高端内存地址空间是如何实现访问可以所有物理内存
  • 当内核想访问高于896MB物理地址内存时,从0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF地址空间范围内找一段相应大小空闲的逻辑地址空间,借用一会。借用这段逻辑地址空间,建立映射到想访问的那段物理内存(即填充内核PTE页面表),临时用一会,用完后归还。这样别人也可以借用这段地址空间访问其他物理内存,实现了使用有限的地址空间,访问所有所有物理内存。

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  • 例 如内核想访问2G开始的一段大小为1MB的物理内存,即物理地址范围为0×80000000 ~ 0x800FFFFF。访问之前先找到一段1MB大小的空闲地址空间,假设找到的空闲地址空间为0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF,用这1MB的逻辑地址空间映射到物理地址空间0×80000000 ~ 0x800FFFFF的内存

  • 当内核访问完0×80000000 ~ 0x800FFFFF物理内存后,就将0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF内核线性空间释放。这样其他进程或代码也可以使用0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF这段地址访问其他物理内存。

  • 从上面的描述,我们可以知道高端内存的最基本思想:借一段地址空间,建立临时地址映射,用完后释放,达到这段地址空间可以循环使用,访问所有物理内存。

转载:https://www.cnblogs.com/zlcxbb/p/5841417.html

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