Architecture: i386 32bit Machine Ubuntu 16.04
Linux version: 4.15.0-39-generic
目录
PKMAP 虚拟内存区
在 IA32 体系结构中，由于 CPU 的地址总线只有 32 位，在不开启 PAE 的情况下，CPU
可以访问 4G 的线性地址空间。Linux 采用了 3:1 的策略，即内核占用 1G 的线性地址
空间，用户占用 3G 的线性地址空间。如果 Linux 物理内存小于 1G 的空间，通常将线
性地址空间和物理空间一一映射，这样可以提供访问速度。但是，当 Linux 物理内存超
过 1G，内核的线性地址就不够用，所以，为了解决这个问题，Linux 把内核的虚拟地址
空间分作线性区和非线性区两个部分，线性区规定最大为 896M，剩下的 128M 为非线性
区。从而，线性区映射的物理内存都是低端内存，剩下的物理内存作为高端内存。
随着计算机技术的发展，计算机的实际物理内存越来越大，从而使得内核固定映射区 (线
性区，低端内存) 也越来越大。显然，如果不加以限制，当实际物理内存达到 1GB 时，
vmalloc 分配区 (非线性区) 将不复存在。于是以前开发的，调用 vmalloc() 的内核代
码也就不能再使用，显然为了兼容早期的内核代码，这是不允许的。
显然，出现上述文件的原因就是没有预料到实际物理内存可能超过 1GB，因此没有为内核
固定映射区的边界设定限制，而任由其随实际物理内存的增大而增大。解决上述问题的方
法就是：对内核固定映射区上限加以限制，使之不能随着物理内存的增加而任意增加。
Linux 规定，内核映射区的上边界最大不能超过 high_memory, high_memory 是一个小于
1G 的常数。当实际物理内存较大时，以 3G+highmem 为边界来确定虚拟内存区域。
例如
对于 IA32 系统，high_memory 的值就是 896M，于是 1GB 内核空间剩余下的
128MB 为非线性映射区。这样就确保在任何情况下，内核都有足够的非线性映
射区以兼容早期代码并可以按普通方式访问实际物理内存的 1GB 以上的空间。
也就是说，高端内存的基本思想：借用一段虚拟地址空间，建立临时地址映射 (页表),
使用完之后就释放，以此达到这段地址空间可以循环使用，访问所有的物理内存。高端
虚拟内存区域在 Linux 内核空间的分布图如下：
4G +----------------+
| |
+----------------+-- FIXADDR_TOP
| |
| | FIX_KMAP_END
| Fixmap |
| | FIX_KMAP_BEGIN
| |
+----------------+-- FIXADDR_START
| |
| |
+----------------+--
| | A
| | |
| Persistent | | LAST_PKMAP * PAGE_SIZE
| Mappings | |
| | V
+----------------+-- PKMAP_BASE
| |
+----------------+-- VMALLOC_END / MODULE_END
| |
| |
| VMALLOC |
| |
| |
+----------------+-- VMALLOC_START / MODULE_VADDR
| | A
| | |
| | | VMALLOC_OFFSET
| | |
| | V
+----------------+-- high_memory
| |
| |
| |
| Mapping of all |
| physical page |
| frames |
| (Normal) |
| |
| |
+----------------+-- MAX_DMA_ADDRESS
| |
| DMA |
| |
+----------------+
| .bss |
+----------------+
| .data |
+----------------+
| 8k thread size |
+----------------+
| .init |
+----------------+
| .text |
+----------------+ 0xC0008000
| swapper_pg_dir |
+----------------+ 0xC0004000
| |
3G +----------------+-- TASK_SIZE / PAGE_OFFSET
| |
| |
| |
0G +----------------+
习惯上，Linux 把内核虚拟空间 3G+high_memory ~ 4G-1 的这部分统称为高端虚拟内存。
根据应用的不同，高端内存区分 vmalloc 区，可持久映射区和临时映射区。
PKMAP 可持久映射区
PKMAP 映射区也称为可持久映射区。当通过 alloc_page() 获得高端物理内存对于的
page，内核专门为此保留一块线性地址空间，从 PKMAP_BASE 开始，用于映射高端物理
内存页，就是可持久映射区。在可持久映射区，可以通过调用函数 kmap() 在物理页框
与内核虚拟内存地址建立长期映射，这个空间通常为 4MB，最多能映射 1024 个页框，
最大页框数使用 LAST_PKMAP 宏表示。PKMAP 可映射的页框数稀少，所以为了加强页框
的使用率，应及时调用 kunmap() 函数将不使用的物理页框释放掉。
在 Linux 2.6 内核上，可持久映射虚拟地址范围是 4GB - 8M 到 4G-4M 之间。这个空
间和其他空间使用同样的页目录表，对于内核来说，就是 swapper_pg_dir，对于普通进
程来说，通过 CR3 寄存器指向。通常情况下，这个空间是 4M 大小，因此仅仅需要一个
页表就可以，内核通过 pkmap_page_table 寻址这个页表。
PKMAP 虚拟内存区中分配内存
IA32 体系结构中，Linux 4.x 可以使用 kmap() 函数从 PKMAP 可持久虚拟内存中获得
虚拟内存。函数使用方法如下：
#if defined CONFIG_DEBUG_VA_KERNEL_KMAP && defined CONFIG_X86_32
/*
* PKMAP Virtual Space.
* 0 3G 4G
* +----+----------+---------------------------------+------+
* | | | | |
* | | | Persister Mappings (FIXMAP) | |
* | | | | |
* +----+----------+---------------------------------+------+
* A A
* | |
* | |
* | |
* o o
* PKMAP_BASE PKMAP_BASE+(LAST_PKMAP * PAGE_SIZE))
*/
struct page *high_page = NULL;
unsigned int *KMAP_init = NULL;
/* Allocate a page from Highmem */
high_page = alloc_pages(__GFP_HIGHMEM, 0);
/* Map on Kmap */
KMAP_int = kmap(high_page);
printk("[*]unsigned int *KMAP_int: Address: %#08x\n",
(unsigned int)(unsigned long)KMAP_int);
if (KMAP_int)
kunmap(high_page);
__free_pages(high_page, 0);
#endif
使用 alloc_pages() 函数和 __GFP_HIGHMEM 标志从高端物理内存分配一个物理页框，
然后使用 kmap 函数将这个物理页映射到 KMAP 区域，程序可以通过使用返回的地址，
匿名的方式访问这段内存。当不使用这部分虚拟内存，需要使用 kunmap() 函数进行释放。
VMALLOC 虚拟内存实践
BiscuitOS 提供了相关的实例代码，开发者可以使用如下命令：
首先，开发者先准备 BiscuitOS 系统，内核版本 linux 1.0.1.2。开发可以参照文档构
建 BiscuitOS 调试环境：
由于代码需要运行在 IA32 系统上，如果开发者的系统不是 IA32，那么可以按照下面的
教程搭建一个 IA32 虚拟机：
接着，开发者配置内核，使用如下命令：
cd BiscuitOS
make clean
make update
make linux_1_0_1_2_ext2_defconfig
make
cd BiscuitOS/kernel/linux_1.0.1.2/
make clean
make menuconfig
由于 BiscuitOS 的内核使用 Kbuild 构建起来的，在执行完 make menuconfig 之后，系
统会弹出内核配置的界面，开发者根据如下步骤进行配置：
选择 kernel hacking，回车
选择 Demo Code for variable subsystem mechanism, 回车
选择 MMU(Memory Manager Unit) on X86 Architecture, 回车
选择 Debug MMU(Memory Manager Unit) mechanism on X86 Architecture 之后选择
Addressing Mechanism 回车
选择 Virtual address, 回车
选择 Virtual address and Virtual space 之后，接着选择 Choice Kernel/User
Virtual Address Space, 回车。
该选项用于选择程序运行在用户空间还是内核空间，这里选择内核空间。选择 Kernel
Virtual Address Space. 回车之后按 Esc 退出。
最后开发者选择 .data segment,下拉菜单打开后，选择 KMAP Virtual Space
(kmap) 选项，回车保存并退出。
运行实例代码，使用如下代码：
cd BiscuitOS/kernel/linux_1.0.1.2/
make
cd tools/demo/mmu/addressing/virtual_address/data/kernel/
如果开发者的主机本身即是 IA32，那么使用如下命令安装并运行模块程序
sudo insmod kern_data.ko
dmesg | tail -n 20
如果开发者的主机不是 IA32，那么使用如下命令运行并安装模块
cp kern_data.c /虚拟机指定目录
cp .tmp/Makefile /虚拟机指定目录
开发者可以通过多种方式将上面两个文件拷贝到虚拟机指定目录下，然后在虚拟机上执行
如下命令
make
make install
源码如下：
Makefile
# Module on higher linux version
obj-m += kern_data.o
kern_dataDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
ROOT := $(dir $(M))
DEMOINCLUDE := -I$(ROOT)../include -I$(ROOT)/include
all:$(MAKE) -C $(kern_dataDIR) M=$(PWD) modules
install:@sudo insmod kern_data.ko
@dmesg | tail -n 20
@sudo rmmod kern_data
clean:@rm -rf *.o *.o.d *~ core .depend .*.cmd *.ko *.ko.unsigned *.mod.c .tmp_ \
.cache.mk *.save *.bak Modules.* modules.order Module.* *.b
CFLAGS_kern_data.o := -Wall $(DEMOINCLUDE)
CFLAGS_kern_data.o += -DCONFIG_DEBUG_VA_KERNEL_KMAP -fno-common
运行结果如图：
从上面数据可知，使用 kmap() 函数分配的虚拟内存位于 0xFFC00000 到 0xFFE00000 之
间，所以分配成功。
总结
KMAP 提供了可持久的映射方法，所谓可持久映射指其虚拟地址到物理地址映射的页表，
可以被多个进程可见。由于 KMAP 只提供了 4MB 的映射空间，内核应该在不使用时，及
时使用 kunmap() 函数进行释放。
附录
赞赏一下吧 🙂
