Linux内核空间的布局
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一、内核空间布局图
（1）线性映射区域（绿色）
（2）.text、.data、.init（粉色系列）
（3）modules（深绿）
（4）PCI I/O（橙色）
（5）vmemmap（浅紫）
（6）vmalloc（浅紫）
（7）不规范地址（蓝色）
二、内核空间分配虚拟地址的函数
（1）kmalloc：物理地址连续的小内存
(2)vmalloc：物理地址不一定连续的大内存
(3)alloc_pages：按页分配连续的物理内存
三、用户空间分配虚拟内存的函数
1. brk：调整数据段（堆）的边界
2. sbrk：间接调整堆边界（库函数，基于brk）
3. mmap：映射内存区域（匿名映射 / 文件映射）
4.关于PCB中的结构体mm_struct
我们知道所有的操作系统都会分为用户空间和内核空间，因为这样可以方便操作系统管理权限、用户进程等。但是关于内核空间真正的布局是什么样子呢？这篇文章我们就来仔细看看。
一、内核空间布局图
在64位系统中，有着2^64次方个地址，即170多亿TB空间。但是真实的物理内存远远不可能这么大，所以操作系统中谈论地址一般都指的是虚拟地址，即进程误以为自己掌控了那么大的空间，实际上都是页表营造出来的假象罢了。
即使在虚拟地址空间中，也要有一个规范的使用。于是普遍把低地址的空间给用户地址空间，高地址给内核使用，至于中间的部分则空缺出来不允许使用，也许随着技术的发展，内存空间极度扩大等原因，中间部分也能被利用起来。
而内核布局如下：
我们一一看看其作用：
（1）线性映射区域（绿色）
- 作用：把 物理内存 直接映射到内核虚拟地址。简单说，内核想快速访问物理内存里的数据（比如硬件驱动读写内存）比如kmalloc、就依赖于此，用这里最方便。
- 关键点：地址是 “线性” 对应的（虚拟地址和物理地址差个固定值），访问速度快，但会受物理内存大小限制。
（2）.text、.data、.init（粉色系列）
- .text（代码段）：存内核的可执行代码（比如调度进程、处理系统调用的逻辑），只读！防止内核自己把代码改乱。
- .data（数据段）：存内核的全局变量、静态变量（比如记录系统总内存的变量）。
- .init（初始化段）：存内核启动时的初始化代码，启动完成后会被释放（节省内存）。
（3）modules（深绿）
- 作用：加载内核模块（比如 USB 驱动、网卡驱动）的区域。驱动不需要编译进内核，用
insmod动态加载到这里。这里就是我们之前所说的Linux借鉴了微内核插件式的特点。（4）PCI I/O（橙色）
- 作用：给 PCI 设备（比如显卡、网卡）的 I/O 地址用的。内核通过这里读写硬件寄存器，和外接设备通信。
（5）vmemmap（浅紫）
- 作用：管理物理页框（Page Frame）的元数据。内核用它记录 “哪些物理内存被占用、哪些空闲”，类似一个 “内存台账”。
- 物理内存中的每个页框（Page Frame）对应 vmemmap 中的一个
struct page；（6）vmalloc（浅紫）
- 作用：分配 虚拟地址连续、物理地址可能不连续 的内存。比如内核需要一大块内存，但物理内存零散，用
vmalloc拼接虚拟地址。- 关联函数：内核里用
vmalloc()分配，对应用户空间的mmap（但机制不同）。（7）不规范地址（蓝色）
- 作用：“禁区”！内核和用户空间都不能用，防止程序乱访问地址导致崩溃。
二、内核空间分配虚拟地址的函数
（1）kmalloc：物理地址连续的小内存
作用：分配 物理地址连续 的内存，适合驱动里存小数据（比如设备结构体）。基于
slab分配器，高效且少碎片。
内核中管理的一些数据结构，各种设备的结构体节点，pcb等因为查询频繁，最好使用连续的物理内存，能提高查找效率和命中率
#include <linux/slab.h>
void driver_init()
{struct device_data *data = kmalloc(sizeof(struct device_data), GFP_KERNEL);if (data) { /* 用内存 */ }kfree(data); // 释放
}(2)vmalloc：物理地址不一定连续的大内存
作用：分配 虚拟地址连续、物理地址可能分散 的内存，适合需要大块内存但物理内存零散的场景（比如加载大模块）。
缺点：因为物理地址不连续，访问速度比
kmalloc慢一点。
一般在操作一些驱动设备模块的时候，需要较大的空间，并且对物理内存不要求连续，则往往会使用vmalloc。
(3)alloc_pages：按页分配连续的物理内存
作用：直接分配物理页框（比如 4KB 一页），返回页的虚拟地址。适合底层内存管理（比如文件缓存）。
有些外设会使用DMA操作，提高读取效率，这时候按页分配连续的物理内存较为合适。
#include <linux/gfp.h>
struct page *pages = alloc_pages(GFP_KERNEL, 2); // 分配 2 页（8KB）
// ... 使用内存 ...
__free_pages(pages, 2); // 释放三、用户空间分配虚拟内存的函数
1. brk：调整数据段（堆）的边界
- 功能：通过修改进程数据段（堆）的结束地址（
brk值），扩展或收缩堆空间。
堆是从数据段末尾（end_data）向高地址增长的区域，brk系统调用直接控制堆的 “边界”。- 参数：
addr为新的堆结束地址（必须是页对齐的）。- 返回值：
- 成功：返回 0（表示堆已调整到
addr）；- 失败：返回 - 1（如内存不足）。
- 适用场景：分配小内存块（堆内存），
malloc对小内存的分配通常基于brk实现。
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main()
{void *current_brk = sbrk(0); // 获取当前brk值（sbrk是库函数，基于brk）void *new_brk = (char*)current_brk + 4096; // 新地址（+4KB）if (brk(new_brk) == -1) {perror("brk failed");return 1;}printf("堆已扩展到：%p\n", new_brk);return 0;
}2. sbrk：间接调整堆边界（库函数，基于brk）
- 说明：
sbrk不是系统调用，而是 glibc 提供的库函数，其底层通过brk系统调用实现，更方便地调整堆大小。- 参数：
increment为堆的增量（正数扩展，负数收缩，0 则返回当前brk值）。void *sbrk(intptr_t increment);- 返回值：
- 成功：返回调整前的
brk值；- 失败：返回
(void*)-1。
3. mmap：映射内存区域（匿名映射 / 文件映射）
- 功能：在进程地址空间中创建一个新的内存映射区域，可用于分配 “匿名内存”（不关联文件）或映射文件内容到内存。
匿名映射是用户空间分配大内存块的主要方式（malloc对大内存通常用mmap）。- 适用场景：分配大内存块（通常
malloc对大于 128KB 的内存用mmap，避免堆碎片）、文件映射。
#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
4.关于PCB中的结构体mm_struct
进程的所有内存操作（堆、栈、映射区域）都通过mm_struct被内核跟踪和管理，确保地址空间的合法性和安全性。也就是说我们上述所有给用户空间分配内存的操作，本质都是在修改mm_struct的成员。
用户空间的api，如brk、mmap、malloc本质都是在填充内核中mm_struct的某些字段，并不会当时就分配好内存，仅规划虚拟地址空间。而是真正要使用的时候，会触发缺页中断，再去查看mm_struct，最终调用到alloc_pages才算分配物理内存。