什么数据结构使用了1GB Linux内核空间中的128MB？

Question

在我读过的有关Linux内核中HIGHMEM的书籍和文章中，它们都说在使用3：1分割时，并非所有1GB的空间都可用于内核映射。通常只有约896MB可以用于内核数据结构、内存映射、页表等。

我的问题是，这些数据结构究竟是什么？页表通常通过页表地址寄存器访问，对吗？而页表的基址通常被存储为物理地址。那么为什么需要为整个表保留一个虚拟地址空间呢？

同样地，我也了解到内核代码本身占据空间。这与虚拟地址空间有什么关系？难道不是物理内存用于存储代码吗？

最后，为什么这些数据结构必须要保留128MB的空间呢？为什么不能像内核中的其他正常数据结构一样，根据需要从整个1GB地址空间中使用？

我已经阅读了《Linux设备驱动程序》第三版、《专业Linux内核架构》以及这里的几篇文章（例如：为什么Linux内核ZONE_NORMAL限制为896 MB？）和旧版LWN文章，但没有找到具体的信息。

- codetwiddler

Answer 1

关于页表，如果页面表本身没有映射到虚拟地址空间，MMU并不关心。对于地址转换来说，这是可以的。但是当内核需要修改页面表时，它们必须映射到虚拟地址空间中，而内核不能“即时”地映射它们，因为它需要修改页面表本身才能这样做。这是一个鸡生蛋的问题，这意味着页面表需要始终保持映射状态。

内核代码也存在类似的问题。为了使代码执行，必须将其映射到虚拟地址空间中。如果用于页面表修改的代码本身不存在，我们将面临类似的鸡生蛋问题。因此，更容易的方法是始终保留整个内核代码的映射，以及内核模式堆栈和任何由代码访问的内核数据结构，您不希望可能出现页面故障的情况。其中一种大型数据结构的示例是表示每个物理内存页面的struct page结构数组。

- caf

Answer 2

128MB 的保留空间并不是为了特定的数据结构，而是用于虚拟内存，为可能使用它的各种用户保留。通常情况下，并不会全部使用。

关于物理内存和虚拟内存：每个分配都需要三个东西——一个物理页、一个虚拟页和连接两者的映射。Linux 几乎从不直接使用物理地址，它总是通过虚拟地址转换来实现。对于大多数内核内存分配（称为 lowmem），这种转换非常简单——从虚拟地址中减去一些常量即可得到物理地址。但仍然使用虚拟地址。

Linux 的内存管理是在虚拟内存空间（4GB）比物理内存大得多的时候编写的，即使在最大的机器上也是如此。在这种情况下，浪费虚拟地址并不是问题。但今天，当物理内存很大时，这会导致低效和问题。

vmalloc虚拟地址范围可被任何调用vmalloc的用户使用。例如：
1. 加载内核驱动程序（使用modprobe或insmod）。
2. 内核模块通常使用vmalloc进行分配。曾经使用的另一函数kmalloc仅限于128K，并将大小舍入为2的幂，因此对于大型分配，通常更喜欢使用vmalloc。

- ugoren

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如果没有为特定数据结构保留128MB，那么为什么我们不能将整个1G内核虚拟空间映射到某个虚拟地址？这样，如果系统恰好有1GB物理内存，则无需使用HIGHMEM。在基于896MB的设置中，需要使用HIGHMEM才能利用任何大于896MB的物理内存。同样，当我们为某些内容保留了128MB（甚至不使用它），那么这么多的虚拟地址范围就无法用于vmalloc。正如你所说，所有内容都通过虚拟地址访问。那么为什么要浪费任何虚拟地址呢？ - codetwiddler

@codetwiddler，这很复杂...浪费虚拟地址是不好的，但也不是毫无意义。基本点是有两种方法将虚拟地址连接到物理地址——直接映射（lowmem）和任意动态映射（vmalloc）。每个方法都必须使用单独的虚拟地址范围，以避免冲突。 - ugoren

在所有方面都达成一致，我知道有两种方法及其用途。现在，具体来说，如果我有1GB的物理内存，我需要使用HIGHMEM来访问超过896MB的内存，因为1GB-896MB的块被保留了。那个保留区域的目的是什么，无论多么复杂？该保留区域应该与某些结构或指向该空间的指针相关联，并且我认为如果该保留是静态的，则它应该是相当重要的实体。 - codetwiddler

另外，在您之前的回答中，您说“通常情况下，并不是全部都被使用”，而在这里您又说“但也不是毫无意义”。不幸的是，这对我来说有点令人困惑。 - codetwiddler

在这里详细解释lowmem/vmalloc对我来说太多了。抱歉。关于你的困惑-紧急出口通常不会使用，但它们不是无用的。128M的vmalloc空间通常也不会被使用。然而，为所有意外配置保留它非常重要。 - ugoren