這里只分析分配連續(xù)物理地址的函數(shù)。對于 vmalloc() 這種分配非連續(xù)物理地址的函數(shù)不在本記錄范圍之內(nèi)。

1、kmalloc() 分配連續(xù)的物理地址，用于小內(nèi)存分配。

2、__get_free_page() 分配連續(xù)的物理地址，用于整頁分配。

至于為什么說以上函數(shù)分配的是連續(xù)的物理地址和返回的到底是物理地址還是虛擬地址，下面的記錄會做出解釋。

kmalloc() 函數(shù)本身是基于 slab 實現(xiàn)的。slab是為分配小內(nèi)存提供的一種高效機制。但 slab 這種分配機制又不是獨立的，它本身也是在頁分配器的基礎上來劃分更細粒度的內(nèi)存供調(diào)用者使用。也就是說系統(tǒng)先用頁分配器分配以頁為最小單位的連續(xù)物理地址，然后 kmalloc() 再在這上面根據(jù)調(diào)用者的需要進行切分。關(guān)于以上論述，我們可以查看malloc() 的實現(xiàn)，kmalloc()函數(shù)的實現(xiàn)是在 __do_kmalloc() 中，可以看到在__do_kmalloc() 代碼里最終調(diào)用了_cache_alloc()

來分配一個slab，其實kmem_cache_alloc() 等函數(shù)的實現(xiàn)也是調(diào)用了這個函數(shù)來分配新的 slab。我們按_cache_alloc() 函數(shù)的調(diào)用路徑一直跟蹤下去會發(fā)現(xiàn)在 cache_grow() 函數(shù)中使用了kmem_getpages() 函數(shù)來分配一個物理，kmem_getpages() 函數(shù)中調(diào)用的alloc_pages_node() 最終是使用 __alloc_pages() 來返回一個struct page 結(jié)構(gòu)，而這個結(jié)構(gòu)正是系統(tǒng)用來描述物理頁面的。這樣也就證實了上面所說的，slab

是在物理頁面基礎上實現(xiàn)的。kmalloc() 分配的是物理地址。

__get_free_page() 是頁面分配器提供給調(diào)用者的最底層的內(nèi)存分配函數(shù)。它分配連續(xù)的物理內(nèi)。__get_free_page() 函數(shù)本身是基于 buddy 實現(xiàn)的。在使用 buddy 實現(xiàn)的物理內(nèi)存管理中最小分配粒度是以頁為單位的。關(guān)于以上論述，我們可以查看__get_free_page() 的實現(xiàn)，可以看到 __get_free_page() 函數(shù)只是一個非常簡單的封狀，它的整個函數(shù)實現(xiàn)就是無條件的調(diào)用 __alloc_pages() 函數(shù)來分配物理內(nèi)存，上面記錄 kmalloc()實現(xiàn)時也提到過是在調(diào)用_alloc_pages()

函數(shù)來分配物理頁面的前提下進行的 slab 管理。那么這個函數(shù)是如何分配到物理頁面又是在什么區(qū)域中進行分配的？回答這個問題只能看下相關(guān)的實現(xiàn)。可以看到在 __alloc_pages() 函數(shù)中，多次嘗試調(diào)用get_page_from_freelist() 函數(shù)從 zonelist 中取得相關(guān) zone，并從其中返回一個可用的 struct page 頁面(這里的有些調(diào)用分支是因為標志不同)。至此，可以知道一個物理頁面的分配是從 zonelist(一個 zone 的結(jié)構(gòu)數(shù)組)中的 zone 返回的。那么 zonelist/zone

是如何與物理頁面關(guān)聯(lián)，又是如何初始化的呢？繼續(xù)來看 free_area_init_nodes() 函數(shù)，此函數(shù)在系統(tǒng)初始化時由 zone_sizes_init() 函數(shù)間接調(diào)用的，zone_sizes_init()

函數(shù)填充了三個區(qū)域：ZONE_DMA，ZONE_NORMAL，ZONE_HIGHMEM。并把他們作為參數(shù)調(diào)用 free_area_init_nodes()，在這個函數(shù)中會分配一個 pglist_data 結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中包含了zonelist/zone結(jié)構(gòu)和一個 struct page 的物理頁結(jié)構(gòu)，在函數(shù)最后用此結(jié)構(gòu)作為參數(shù)調(diào)用了 free_area_init_node() 函數(shù)，在這個函數(shù)中首先使用 calculate_node_totalpages() 函數(shù)標記 pglist_data 相關(guān)區(qū)域，然后調(diào)用

alloc_node_mem_map() 函數(shù)初始化 pglist_data結(jié)構(gòu)中的 struct page 物理頁。最后使用free_area_init_core()函數(shù)關(guān)聯(lián) pglist_data 與 zonelist。可見__get_free_page()是從buddy systems分配的頁框。現(xiàn)在通以上分析已經(jīng)明確了__get_free_page() 函數(shù)分配物理內(nèi)存的流程。但這里又引出了幾個新問題，那就是此函數(shù)分配的物理頁面是如何映射的？映射到了什么位置？到這里不得不去看下與 VMM 相關(guān)的引導代碼。

在看 VMM 相關(guān)的引導代碼前，先來看一下virt_to_phys() 與phys_to_virt 這兩個函數(shù)。顧名思義，即是虛擬地址到物理地址和物理地址到虛擬地址的轉(zhuǎn)換。函數(shù)實現(xiàn)十分簡單，前者調(diào)用了__pa( address ) 轉(zhuǎn)換虛擬地址到物理地址，后者調(diào)用 __va( addrress ) 將物理地址轉(zhuǎn)換為虛擬地址。再看下 __pa __va 這兩個宏到底做了什么。

#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)

#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))

通過上面可以看到僅僅是把地址加上或減去 PAGE_OFFSET，而PAGE_OFFSET 在 x86 下定義為0xC0000000。這里又引出了疑問，在 linux 下寫過 driver 的人都知道，在使用 kmalloc() 與__get_free_page() 分配完物理地址后，如果想得到正確的物理地址需要使用 virt_to_phys() 進行轉(zhuǎn)換。那么為什么要有這一步呢？我們不分配的不就是物理地址么？怎么分配完成還需要轉(zhuǎn)換？如果返回的是虛擬地址，那么根據(jù)如上對 virt_to_phys() 的分析，為什么僅僅對

PAGE_OFFSET 操作就能實現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換呢？虛擬地址與物理地址之間的轉(zhuǎn)換不需要查頁表么？代著以上諸多疑問來看 VMM 相關(guān)的引導代碼。

直接從 start_kernel() 內(nèi)核引導部分來查找VMM 相關(guān)內(nèi)容。可以看到第一個應該關(guān)注的函數(shù)是 setup_arch()，在這個函數(shù)當中使用paging_init() 函數(shù)來初始化和映射硬件頁表(在初始化前已有 8M內(nèi)存被映射，在這里不做記錄)，而 paging_init() 則是調(diào)用的pagetable_init() 來完成內(nèi)核物理地址的映射以及相關(guān)內(nèi)存的初始化。在pagetable_init() 函數(shù)中，首先是一些PAE/PSE/PGE 相關(guān)判斷與設置，然后使用 kernel_physical_mapping_init()

函數(shù)來實現(xiàn)內(nèi)核物理內(nèi)存的映射。在這個函數(shù)中可以很清楚的看到，pgd_idx 是以PAGE_OFFSET 為啟始地址進行映射的，也就是說循環(huán)初始化所有物理地址是以 PAGE_OFFSET 為起點的。繼續(xù)觀察我們可以看到在 PMD 被初始化后，所有地址計算均是以 PAGE_OFFSET 作為標記來遞增的。分析到這里已經(jīng)很明顯的可以看出，物理地址被映射到以 PAGE_OFFSET開始的虛擬地址空間。這樣以上所有疑問就都有了答案。kmalloc() 與__get_free_page() 所分配的物理頁面被映射到了

PAGE_OFFSET 開始的虛擬地址，也就是說實際物理地址與虛擬地址有一組一一對應的關(guān)系，正是因為有了這種映射關(guān)系，對內(nèi)核以 PAGE_OFFSET 啟始的虛擬地址的分配也就是對物理地址的分配(當然這有一定的范圍，應該在 PAGE_OFFSET

與 VMALLOC_START 之間，后者為vmalloc() 函數(shù)分配內(nèi)存的啟始地址)。這也就解釋了為什么 virt_to_phys() 與phys_to_virt() 函數(shù)的實現(xiàn)僅僅是加/減 PAGE_OFFSET 即可在虛擬地址與物理地址之間轉(zhuǎn)換，正是

因為了有了這種映射，且固定不變，所以才不用去查頁表進行轉(zhuǎn)換。這也同樣回答了開始的問題，即 kmalloc() / __get_free_page() 分配的是物理地址，而返回的則是虛擬地址(雖然這聽上去有些別扭)。正是因為有了這種映射關(guān)系，所以需要將它們的返回地址減去 PAGE_OFFSET 才可以得到真正的物理地址。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的怎么查linux的虚拟内核,Linux 内核 虚拟地址 物理地址 转换的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。