高端內(nèi)存是Linux中一個重要的概念，初涉Linux時曾經(jīng)對這個概念非常迷惑。實際上這個概念比較簡單，理解這個概念，需要追溯一下Linux的內(nèi)存管理。

從前，CPU的地址總線只有32位，再早的就不再追溯了。32的地址總線無論是從邏輯上還是從物理上都只能描述4G的地址空間，在物理上理論上最多擁有4G內(nèi)存（除了IO地址空間，實際內(nèi)存容量小于4G），邏輯空間也只能描述4G的線性地址空間。為了合理的利用4G空間，Linux采用了3：1的策略，即內(nèi)核占用1G的線性地址空間，用戶占用3G的線性地址空間。所以用戶進程的地址范圍從0~3G，內(nèi)核地址范圍從3G~4G，也就是說，內(nèi)核空間只能管理1G的內(nèi)存。

對于如此緊張的線性地址資源，內(nèi)核空間與用戶空間的肆意瓜分，導(dǎo)致了內(nèi)存管理上的問題：當(dāng)物理內(nèi)存大于1G時，內(nèi)核線性地址空間小于實際的物理內(nèi)存容量，內(nèi)核如何實現(xiàn)對大于1G內(nèi)存的管理呢？說到這里，需要提一下內(nèi)核空間對內(nèi)存的管理方法。一方面為了提高內(nèi)核空間對內(nèi)存的管理效率；另一方面，為了簡化內(nèi)核空間對內(nèi)存的管理方法，內(nèi)核采用線性映射的方法實現(xiàn)對內(nèi)存的管理，從Linux實現(xiàn)的方法來看，物理地址與內(nèi)核的虛擬地址只差一個偏移量。所以，當(dāng)物理內(nèi)存大于1G時，物理內(nèi)存無法全部映射到內(nèi)核線性地址空間，這就產(chǎn)生了上述問題。

從上述描述可以看出，地址空間大于1G的內(nèi)存區(qū)域稱之為高端內(nèi)存，同理，小于1G的內(nèi)存區(qū)域稱之為低端內(nèi)存。高端內(nèi)存的管理需要進行非線性映射，為此，在內(nèi)核線性地址空間預(yù)留了128M的空間，位于線性地址空間的高端。如今，CPU的地址總線都擴大到64位了，線性地址資源非常豐富，所以，可以給內(nèi)核空間預(yù)留足夠的線性地址資源，在最近一段時間內(nèi)，內(nèi)核線性地址資源與物理內(nèi)存容量之間的矛盾將不再突出，高端內(nèi)存的概念也就在64位CPU上消失了。

原先一直都對Linux高端內(nèi)存的管理認識模模糊糊的，可能主要是初次接觸linux kernel 是0.11版吧，當(dāng)初的內(nèi)存設(shè)計是16M，Linus對擁有32M的內(nèi)存都是覬覦萬分，1G內(nèi)存恐怕是天方夜譚了。16M內(nèi)存哪里還顧得上高端內(nèi)存，腦子就一直沒有這種概念。先我們還是來看看為什么要有高端內(nèi)存？

80386的線性尋址空間是4G，內(nèi)核空間從3G開始,如果全部采用"線性映射"(物理地址和邏輯地址只差一個常量 PAGE_OFFSET ),最多管理1G物理內(nèi)存，也就是1G的物理內(nèi)存挨著挨著對應(yīng)的是虛擬地址的3G到4G的位置。你想想如果多于1G的內(nèi)存，我們用什么線性地址來裝下這些多出的地址呢？ 我朋友的機器有2G,據(jù)說玩游戲巨爽(AMD64300+).顯然如果線性映射我的朋友就會浪費1G內(nèi)存.為了使內(nèi)核能夠訪問這些"高端內(nèi)存",內(nèi)核使用HighMem.做法是不將內(nèi)核1G的虛擬地址空間全部映射成物理內(nèi)存,而是預(yù)留一部分給高端內(nèi)存做臨時映射使用.

其實內(nèi)核不僅僅預(yù)留了highmem的地址空間,還給fixmap,vmalloc預(yù)留了虛存空間.實際上,系統(tǒng)初始化的時候預(yù)留128M虛存,896M用于"直接"映射物理內(nèi)存。下面我們先貼上一幅圖，摘自《understand linux kernel 》



畢竟意淫是很考大家的空間想象能力的，所以我們還是依照圖片來看圖說話:

高端內(nèi)存映射有三種方式：

1、映射到“內(nèi)核動態(tài)映射空間”
這種方式很簡單，因為通過 vmalloc() ，在"內(nèi)核動態(tài)映射空間"(上圖的VMALLOC_START到VMALLOC_END)申請內(nèi)存的時候，就可能從高端內(nèi)存獲得頁面（參看 vmalloc 的實現(xiàn)），因此說高端內(nèi)存有可能映射到"內(nèi)核動態(tài)映射空間" 中。

2、永久內(nèi)核映射
如果是通過 alloc_page() 獲得了高端內(nèi)存對應(yīng)的 page，如何給它找個線性空間？
內(nèi)核專門為此留出一塊線性空間，從 PKMAP_BASE 到 FIXADDR_START (上圖的倒數(shù)第二塊區(qū)域)，用于映射高端內(nèi)存。在 2.4 內(nèi)核上，這個地址范圍是 4G-8M 到 4G-4M 之間。這個空間起叫“內(nèi)核永久映射空間”或者“永久內(nèi)核映射空間”。

這個空間和其它空間使用同樣的頁目錄表，對于內(nèi)核來說，就是 swapper_pg_dir，對普通進程來說，通過 CR3 寄存器指向。

通常情況下，這個空間是 4M 大小，因此僅僅需要一個頁表即可，內(nèi)核通過來 pkmap_page_table 尋找這個頁表。通過 kmap()， 可以把一個 page 映射到這個空間來。由于這個空間是 4M 大小，最多能同時映射 1024 個 page。因此，對于不使用的的 page，及應(yīng)該時從這個空間釋放掉（也就是解除映射關(guān)系），通過 kunmap() ，可以把一個 page 對應(yīng)的線性地址從這個空間釋放出來。

3、臨時映射
內(nèi)核在 FIXADDR_START 到 FIXADDR_TOP 之間保留了一些線性空間用于特殊需求。這個空間稱為“固定映射空間”
在這個空間中，有一部分用于高端內(nèi)存的臨時映射。

這塊空間具有如下特點：
1、每個 CPU 占用一塊空間
2、在每個 CPU 占用的那塊空間中，又分為多個小空間，每個小空間大小是 1 個 page，每個小空間用于一個目的，這些目的定義在 kmap_types.h 中的 km_type 中。

當(dāng)要進行一次臨時映射的時候，需要指定映射的目的，根據(jù)映射目的，可以找到對應(yīng)的小空間，然后把這個空間的地址作為映射地址。這意味著一次臨時映射會導(dǎo)致以前的映射被覆蓋.通過 kmap_atomic() 可實現(xiàn)臨時映射。
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