《趣谈linux操作系统》小结(二十一) -内存映射

内核态内存映射

内核页表

在系统初始化的时候，我们就要创建内核页表了。

内核页表的根 swapper_pg_dir， 在 arch/x86/include/asm/pgtable_64.h 中就能找到它的定义。swapper_pg_dir 指向内核最顶级的目录 pgd，同时出现的还有几个页表目录。其中 XXX_ident_pgt 对应的是直接映射区，XXX_kernel_pgt 对应的是内核代码区，XXX_fixmap_pgt 对应的是固定映射区。

在汇编语言的文件里面的 arch\x86\kernel\head_64.S初始化这些页表的值，具体的汇编语言看不懂，呵呵。知道他们定义在__INITDATA 里面就可以了。页表的根其实是全局变量，这就使得我们初始化的时候，甚至内存管理还没有初始化的时候，很容易就可以定位到。最后定义成如下 一个树形的结构：

内核页表定义完了，一开始这里面的页表能够覆盖的内存范围比较小。例如，内核代码区 512M，直接映射区 1G。这个时候，其实只要能够映射基本的内核代码和数据结构就可以了。可以看出，里面还空着很多项，可以用于将来映射巨大的内核虚拟地址空间，等用到的时候再进行映射。

用户态进程页表，会有 mm_struct 指向进程顶级目录 pgd，对于内核来讲，也定义了一个 mm_struct，指向 swapper_pg_dir，名为init_mm。

在初始化的时候会调用setup_arch初始化init_mm的成员，创建虚拟地址和物理地址的映射页表。

vmalloc 和 kmap_atomic 原理

在虚拟地址空间里面，有个 vmalloc 区域，从 VMALLOC_START 开始到 VMALLOC_END，可以用于映射一段物理内存。

从vmalloc的函数注释可以看出， 这个函数会从页分配器中分配足够大小的页，然后映射到vmalloc区域

/** 
  * vmalloc - allocate virtually contiguous memory 
  * @size: allocation size 
  * Allocate enough pages to cover @size from the page level 
  * allocator and map them into contiguous kernel virtual space. 
  * 
  * For tight control over page level allocator and protection flags * use __vmalloc() instead. 
  */

void *vmalloc(unsigned long size) {
  ...
}

内核的临时映射函数 kmap_atomic

如果是 32 位有高端地址的，就需要调用 set_pte 通过内核页表进行临时映射；如果是 64 位没有高端地址的，就调用 page_address，里面会调用 lowmem_page_address。其实低端内存的映射，会直接使用 __va 进行临时映射。

内核态缺页异常

kmap_atomic 发现，没有页表的时候，就直接创建页表进行映射了。而 vmalloc 没有，它只分配了内核的虚拟地址。所以，访问它的时候，会产生缺页异常。内核态的缺页异常还是会调用 do_page_fault，然后调用vmalloc_fault， 关联内核页表项。

行动，才不会被动!

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