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Original:High Memory Handling
翻译:司延腾 Yanteng Si <siyanteng@loongson.cn>
校译:

高内存处理

作者: Peter Zijlstra <a.p.zijlstra@chello.nl>

高内存是什么？

当物理内存的大小接近或超过虚拟内存的最大大小时，就会使用高内存（highmem）。在这一点上，内 核不可能在任何时候都保持所有可用的物理内存的映射。这意味着内核需要开始使用它想访问的物理内 存的临时映射。

没有被永久映射覆盖的那部分（物理）内存就是我们所说的 “高内存”。对于这个边界的确切位置，有 各种架构上的限制。

例如，在i386架构中，我们选择将内核映射到每个进程的虚拟空间，这样我们就不必为内核的进入/退 出付出全部的TLB作废代价。这意味着可用的虚拟内存空间（i386上为4GiB）必须在用户和内核空间之 间进行划分。

使用这种方法的架构的传统分配方式是3:1，3GiB用于用户空间，顶部的1GiB用于内核空间。:

+--------+ 0xffffffff
| Kernel |
+--------+ 0xc0000000
|        |
| User   |
|        |
+--------+ 0x00000000

这意味着内核在任何时候最多可以映射1GiB的物理内存，但是由于我们需要虚拟地址空间来做其他事 情–包括访问其余物理内存的临时映射–实际的直接映射通常会更少（通常在~896MiB左右）。

其他有mm上下文标签的TLB的架构可以有独立的内核和用户映射。然而，一些硬件（如一些ARM）在使 用mm上下文标签时，其虚拟空间有限。

临时虚拟映射

内核包含几种创建临时映射的方法。:

  • vmap(). 这可以用来将多个物理页长期映射到一个连续的虚拟空间。它需要synchronization 来解除映射。

  • kmap(). 这允许对单个页面进行短期映射。它需要synchronization，但在一定程度上被摊销。 当以嵌套方式使用时，它也很容易出现死锁，因此不建议在新代码中使用它。

  • kmap_atomic(). 这允许对单个页面进行非常短的时间映射。由于映射被限制在发布它的CPU上， 它表现得很好，但发布任务因此被要求留在该CPU上直到它完成，以免其他任务取代它的映射。

    kmap_atomic() 也可以由中断上下文使用，因为它不睡眠，而且调用者可能在调用kunmap_atomic() 之后才睡眠。

    可以假设k[un]map_atomic()不会失败。

使用kmap_atomic

何时何地使用 kmap_atomic() 是很直接的。当代码想要访问一个可能从高内存（见__GFP_HIGHMEM） 分配的页面的内容时，例如在页缓存中的页面，就会使用它。该API有两个函数，它们的使用方式与 下面类似:

/* 找到感兴趣的页面。 */
struct page *page = find_get_page(mapping, offset);

/* 获得对该页内容的访问权。 */
void *vaddr = kmap_atomic(page);

/* 对该页的内容做一些处理。 */
memset(vaddr, 0, PAGE_SIZE);

/* 解除该页面的映射。 */
kunmap_atomic(vaddr);

注意，kunmap_atomic()调用的是kmap_atomic()调用的结果而不是参数。

如果你需要映射两个页面，因为你想从一个页面复制到另一个页面，你需要保持kmap_atomic调用严 格嵌套，如:

vaddr1 = kmap_atomic(page1);
vaddr2 = kmap_atomic(page2);

memcpy(vaddr1, vaddr2, PAGE_SIZE);

kunmap_atomic(vaddr2);
kunmap_atomic(vaddr1);

临时映射的成本

创建临时映射的代价可能相当高。体系架构必须操作内核的页表、数据TLB和/或MMU的寄存器。

如果CONFIG_HIGHMEM没有被设置，那么内核会尝试用一点计算来创建映射，将页面结构地址转换成 指向页面内容的指针，而不是去捣鼓映射。在这种情况下，解映射操作可能是一个空操作。

如果CONFIG_MMU没有被设置，那么就不可能有临时映射和高内存。在这种情况下，也将使用计算方法。

i386 PAE

在某些情况下，i386 架构将允许你在 32 位机器上安装多达 64GiB 的内存。但这有一些后果:

  • Linux需要为系统中的每个页面建立一个页帧结构，而且页帧需要驻在永久映射中，这意味着：
  • 你最多可以有896M/sizeof(struct page)页帧；由于页结构体是32字节的，所以最终会有 112G的页；然而，内核需要在内存中存储更多的页帧……
  • PAE使你的页表变大–这使系统变慢，因为更多的数据需要在TLB填充等方面被访问。一个好处 是，PAE有更多的PTE位，可以提供像NX和PAT这样的高级功能。

一般的建议是，你不要在32位机器上使用超过8GiB的空间–尽管更多的空间可能对你和你的工作 量有用，但你几乎是靠你自己–不要指望内核开发者真的会很关心事情的进展情况。