Linux 上的高内存和低内存是什么？

Question

我对 Highmem 和 Lowmem 之间的区别感兴趣：

1. 为什么会有这样的差别呢？
2. 这样做我们能得到什么？
3. 各有什么特点？

Answer 1

在 32 位架构上，寻址 RAM 的地址空间范围为：

0x00000000 - 0xffffffff

或4'294'967'295(4 GB)。

Linux 内核将其 3/1 （也可能是 2/2 或 1/3 ¹）分别分成用户空间（高内存）和内核空间（低内存）。

用户空间范围：

0x00000000 - 0xbfffffff

每个新生成的用户进程都会在该区域内获得一个地址（范围）。用户进程通常是不可信的，因此被禁止访问内核空间。此外，它们被认为是非紧急的，作为一般规则，内核尝试推迟向这些进程分配内存。

内核空间范围：

0xc0000000 - 0xffffffff

内核进程在这里获取其地址（范围）。内核可以直接访问这 1 GB 地址（当然，不是完整的 1 GB，还有 128 MB 保留用于高端内存访问）。

在内核空间中生成的进程是可信的、紧急的并且假定没有错误，内存请求会立即得到处理。

如果愿意，每个内核进程也可以访问用户空间范围。为了实现这一点，内核将用户空间（高位内存）的地址映射到内核空间（低位内存），上面提到的 128 MB 是专门为此保留的。

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¹分割是3/1、2/2还是1/3由CONFIG_VMSPLIT_...选项控制；您可以检查一下，/boot/config*看看为您的内核选择了哪个选项。

Answer 2

第一个参考文献是Linux 设备驱动程序（可在线或以书籍形式获取），特别是第15章其中有一个关于该主题的部分。

在理想的情况下，每个系统组件都能够映射它需要访问的所有内存。 Linux 和大多数操作系统上的进程都是这种情况：32 位进程只能访问略小于 2^32 字节的虚拟内存（实际上，在典型的 Linux 32 位架构上约为 3GB）。对于内核来说，这变得很困难，它需要能够映射正在执行系统调用的进程的完整内存，加上整个物理内存，以及任何其他内存映射的硬件设备。

所以当32位内核需要映射超过4GB内存时，必须编译为高内存支持。高端内存是没有永久映射到内核地址空间的内存。 （低内存则相反：它总是被映射，因此您只需通过取消引用指针即可在内核中访问它。）

当您从内核代码访问高位内存时，您需要kmap首先调用，以从页数据结构（）中获取指针struct page。kmap无论页面位于高内存还是低内存，调用都有效。还有kmap_atomic一种增加了约束，但在多处理器机器上效率更高，因为它使用更细粒度的锁定。通过获得的指针kmap是一种资源：它占用了地址空间。一旦完成，您必须调用kunmap(或kunmap_atomic) 来释放该资源；那么该指针就不再有效，并且在再次调用之前无法访问该页面的内容kmap。

Answer 3

这与Linux内核有关；我不确定 Unix 内核是如何处理这个问题的。

高内存是用户空间程序可以寻址的内存段。它不能触及低内存。

低内存是 Linux 内核可以直接寻址的内存段。如果内核必须访问高端内存，它必须首先将其映射到自己的地址空间。

最近推出了一个补丁，可以让您控制片段的位置。权衡是您可以从用户空间中取出可寻址内存，以便内核可以拥有更多在使用前不必映射的内存。

其他资源：

• http://tldp.org/HOWTO/KernelAnalysis-HOWTO-7.html
• http://linux-mm.org/HighMemory

Answer 4

对于那些在 Linux 内核内存空间上下文中寻找解释的人来说，请注意两个相互矛盾的定义高/低内存分割（不幸的是没有标准，必须在上下文中解释）：

• “高端内存”定义为内核空间的总和虚拟的记忆。这是一个只有内核可以访问的区域，包含所有大于或等于 的虚拟地址PAGE_OFFSET。因此，“低内存”指的是剩余地址的区域，其对应于每个用户进程可访问的用户空间内存。

  例如：在默认为 的 32 位 x86 上PAGE_OFFSET，这意味着高端内存是任何地址ADDR（ADDR ≥ 0xC0000000 = PAGE_OFFSET即更高的 1 GB）。

  这就是 Linux 32 位进程通常限制为 3 GB 的原因。注意PAGE_OFFSET不能直接配置，依赖于可配置VMSPLIT_x选项（来源）。

  总结一下：在 32 位架构中，虚拟内存默认分为较低的 3 GB（用户空间）和较高的 1 GB（内核空间）。

  对于 64 位，PAGE_OFFSET不可配置，并且取决于有时在内核加载期间运行时检测到的架构细节。

  在 x86_64 上，PAGE_OFFSET用于0xffff8880000000004 级分页（典型）和0xff110000000000005 级分页（来源）。对于 ARM64，这通常是0x8000000000000000.但请注意，如果启用了 KASLR，则该值是故意不可预测的。

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• “高级内存”定义为身体的无法与内核虚拟内存的其余部分连续映射的内存。内核虚拟地址空间的一部分可以作为单个连续块映射到所谓的物理“低内存”中。要完全理解这意味着什么，需要对 Linux 虚拟内存空间有更深入的了解。我建议通过这些幻灯片。

  从幻灯片来看：

  

  这种“高/低内存”划分仅适用于安装的物理 RAM 大小相对较高（超过约 1 GB）的 32 位架构。否则，即当物理地址空间较小（<1GB）或虚拟内存空间较大（64位）时，可以从内核虚拟内存空间访问整个物理空间。在这种情况下，所有物理内存都被视为“低内存”。

  最好根本不存在高端内存，因为整个物理空间可以直接从内核访问，这使得内存管理更加简单和高效。这在处理 DMA（通常需要物理上连续的内存）时尤其重要。

  另请参阅@gilles 的回答