Linux - 用户态内存映射 和 内核态内存映射

*** 作系统的内存管理，主要分为三个方面。

第一，物理内存的管理，相当于会议室管理员管理会议室。

第二，虚拟地址的管理，也即在项目组的视角，会议室的虚拟地址应该如何组织。

第三，虚拟地址和物理地址如何映射，也即会议室管理员如果管理映射表。

那么虚拟地址和物理地址如何映射呢？

每一个进程都有一个列表vm_area_struct，指向虚拟地址空间的不同的内存块，这个变量的名字叫mmap。

其实内存映射不仅仅是物理内存和虚拟内存之间的映射，还包括将文件中的内容映射到虚拟内存空间。这个时候，访问内存空间就能够访问到文件里面的数据。而仅有物理内存和虚拟内存的映射，是一种特殊情况。

如果我们要申请小块内存，就用brk。brk函数之前已经解析过了，这里就不多说了。如果申请一大块内存，就要用mmap。对于堆的申请来讲，mmap是映射内存空间到物理内存。

另外，如果一个进程想映射一个文件到自己的虚拟内存空间，也要通过mmap系统调用。这个时候mmap是映射内存空间到物理内存再到文件。可见mmap这个系统调用是核心，我们现在来看mmap这个系统调用。

用户态的内存映射机制包含以下几个部分。

物理内存根据NUMA架构分节点。每个节点里面再分区域。每个区域里面再分页。

物理页面通过伙伴系统进行分配。分配的物理页面要变成虚拟地址让上层可以访问，kswapd可以根据物理页面的使用情况对页面进行换入换出。

对于内存的分配需求，可能来自内核态，也可能来自用户态。

对于内核态，kmalloc在分配大内存的时候，以及vmalloc分配不连续物理页的时候，直接使用伙伴系统，分配后转换为虚拟地址，访问的时候需要通过内核页表进行映射。

对于kmem_cache以及kmalloc分配小内存，则使用slub分配器，将伙伴系统分配出来的大块内存切成一小块一小块进行分配。

kmem_cache和kmalloc的部分不会被换出，因为用这两个函数分配的内存多用于保持内核关键的数据结构。内核态中vmalloc分配的部分会被换出，因而当访问的时候，发现不在，就会调用do_page_fault。

对于用户态的内存分配，或者直接调用mmap系统调用分配，或者调用malloc。调用malloc的时候，如果分配小的内存，就用sys_brk系统调用；如果分配大的内存，还是用sys_mmap系统调用。正常情况下，用户态的内存都是可以换出的，因而一旦发现内存中不存在，就会调用do_page_fault。

Linux移植到目标电路板的过程中，有得会建立外设IO内存物理地址到虚拟地址的静态映射，这个映射通过在与电路板对应的map_desc结构体数组中添加新的成员来完成。iotable_init()是最终建立页映射的函数，它通过ACHINE_START、MACHINE_END宏赋值给电路板的map_io()）函数。将Linux *** 作系统移植到特定平台上，MACHINE_START(或者DT_MACHINE_START)、MACHINE_END宏之间的定义针对特定电路板而设计，其中的map_io ()成员函数完成IO内存的静态映射。在一个已经移植好 *** 作系统的内核中，驱动工程师可以对非常规内存区域的IO内存（外设控制器寄存器、MCU内部集成的外设控制器寄存器等）依照电路板的资源使用情况添加到map_desc数组中，但是目前该方法已经不值得推荐。

Cache和DMA本身似乎是两个毫不相关的事物。Cache被用作CPU针对内存的缓存，利用程序的空间局部性和时间局部性原理，达到较高的命中率，从而避免CPU每次都必须要与相对慢速的内存交互数据来提高数据的访问速率。DMA可以作为内存与外设之间传输数据的方式，在这种传输方式之下，数据并不需要经过CPU中转。

假设DMA针对内存的目的地址与Cache缓存的对象没有重叠区域，DMA和Cache之间将相安无事。但是，如果DMA的目的地址与Cache所缓存的内存地址访问有重叠，经过DMA *** 作，与Cache缓存对应的内存中的数据已经被修改，而CPU本身并不知道，它仍然认为Cache中的数据就是内存中的数据，那在以后访问Cache映射的内存时，它仍然使用陈旧的Cache数据。这样就会发生Cache与内存之间数据“不一致性”的错误。

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