一、linux内存管理学习（1）：物理内存探测

目录

1、内存探测

1.1、e820__memory_setup

1.2、parse_setup_data

1.3 总结

2、物理内存整理

2.1、parse_early_param

2.2、e820__reserve_setup_data

2.3、e820_add_kernel_range

2.4、 e820__end_of_ram_pfn

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1、内存探测

1.1、e820__memory_setup

e820__memory_setup --> e820__memory_setup_default --> append_e820_table                // 将BIOS提供的原始E820内存映射表复制到内核安全区域--> e820__update_table(e820_table);  //更新内核的E820内存映射表--> memcpy(e820_table_kexec, e820_table, sizeof(*e820_table_kexec));memcpy(e820_table_firmware, e820_table, sizeof(*e820_table_firmware));--> e820__print_table

该流程主要内容：

（1）从 BIOS 获取原始 E820 表

（2）构建三份内存表：

• ​e820_table​：主表，供内核内存管理使用。
• ​e820_table_kexec​：为 kexec​ 热重启保留，确保新内核看到一致的物理布局。
• ​e820_table_firmware​：备份原始 BIOS 数据，用于调试或回退。

（3）打印内存布局

[    0.000000] BIOS-provided physical RAM map:
[    0.000000] BIOS-e820: [mem 0x0000000000000000-0x000000000009fbff] usable
[    0.000000] BIOS-e820: [mem 0x000000000009fc00-0x000000000009ffff] reserved
[    0.000000] BIOS-e820: [mem 0x00000000000f0000-0x00000000000fffff] reserved
[    0.000000] BIOS-e820: [mem 0x0000000000100000-0x000000001ffdffff] usable
[    0.000000] BIOS-e820: [mem 0x000000001ffe0000-0x000000001fffffff] reserved
[    0.000000] BIOS-e820: [mem 0x00000000fffc0000-0x00000000ffffffff] reserved

1.2、parse_setup_data

parse_setup_data --> e820__memory_setup_extended--> early_memremap        // 映射物理地址到内核虚拟地址空间--> __append_e820_table   // 将扩展条目追加到内核 E820 表--> e820__update_table    // 合并/优化内存表（处理重叠或相邻区域）--> memcpy(e820_table_kexec, e820_table, sizeof(*e820_table_kexec));  // 备份更新后的内存表memcpy(e820_table_firmware, e820_table, sizeof(*e820_table_firmware));--> early_memunmap        // 解除早期内存映射--> e820__print_table("extended");  // 打印扩展后的内存布局

主要内容：

（1）在早期启动阶段（页表未完全初始化时），将物理地址 phys_addr 临时映射到内核虚拟地址空间，以访问扩展的 E820 数据

（2）将扩展条目追加到内核主表 e820_table，不进行合并（保留原始信息）

（3）合并相邻/重叠区域，解决冲突（如高优先级类型覆盖低优先级类型）

（4）释放临时映射，避免内存泄漏

（5）打印扩展后的完整内存布局，前缀为 "extended"，示例：

[    0.000000] extended physical RAM map:
[    0.000000] extended: [mem 0x00000000-0x0009ffff] usable
[    0.000000] extended: [mem 0x00100000-0x3fffffff] reserved

1.3 总结

第一部分整体调用流程：

start_kernel()--> setup_arch()--> e820__memory_setup()          // 处理前 128 条目--> parse_setup_data()            // 遍历 setup_data 链表--> e820__memory_setup_extended()  // 处理扩展条目

目的：解决BIOS/引导加载程序struct boot_params​ 中 e820_table​ 仅能容纳 128 个内存条目的问题

解决方案：超出部分通过 SETUP_E820_EXT​ 节点（struct setup_data​ 链表）传递，传递后将数据合并到e820_table，经e820__update_table整理后更新到e820_table_kexec/firmware

2、物理内存整理

2.1、parse_early_param

parse_early_param()--> parse_early_options(cmdline)--> parse_args(..., do_early_param)--> 对每个参数调用 parse_one()--> 若匹配 early 标记，调用 do_early_param()--> 执行 p->setup_func(val)（如 early_mem("512M")）

整个流程是解析早期启动参数（early param）的过程，涉及内核命令行参数（cmdline）的解析和相应处理函数的执行

（1）在 do_early_param()​ 中，内核通过以下步骤匹配并执行回调：

• 遍历注册表：扫描 __setup_start​ 到 __setup_end​ 之间的所有参数（由链接脚本生成）。
• 匹配参数名：比较 cmdline​ 中的参数（如 mem=512M​）与注册的 str​ 字段。
• 执行回调：若匹配且标记为 early​，则调用 setup_func(val)​，传入参数值（如 512M​）。

（2）linux使用early_param​ 宏（定义于 include/linux/init.h​），将参数名与处理函数绑定，并标记为 EARLY​ 属性，例如：

early_param("mem", early_mem); // 注册 "mem=" 参数，回调函数为 early_mem

展开后生成一个 struct obs_kernel_param​ 结构体，存入 .init.setup​ 段（通过链接脚本聚合），即__setup_start​ 到 __setup_end​ 之间的段

（3）因此，针对下面的代码：

early_param("mem", parse_memopt);

若命令行中有 ‘mem= ’ 字段，便会调用parse_memopt回调函数，进行内存大小重新调整

2.2、e820__reserve_setup_data

e820__reserve_setup_data --> e820__range_update--> e820__update_table--> e820__print_tablee820__finish_early_params--> e820__update_table --> e820__print_table

保留bootloader传递的setup_data内存区域，并更新内存映射表

在完成早期启动参数（如 mem=xxx）解析后，对内存映射表进行最终规范化，并打印调试信息

2.3、e820_add_kernel_range

e820_add_kernel_range --> e820__mapped_all --> e820__range_remove --> e820__range_addstatic void __init e820_add_kernel_range(void)
{// 计算内核的物理地址范围（从 _text 到 _end）u64 start = __pa_symbol(_text);       // 内核代码起始物理地址u64 size = __pa_symbol(_end) - start; // 内核占用的总大小// 检查是否已被正确标记为 RAMif (e820__mapped_all(start, start + size, E820_TYPE_RAM))return; // 如果已经是 RAM，直接返回// 报警：内核区域未被标记为 RAMpr_warn(".text .data .bss are not marked as E820_TYPE_RAM!\n");// 修复步骤：// 1. 移除该范围内的所有现有内存条目（无论类型）e820__range_remove(start, size, E820_TYPE_RAM, 0);// 2. 重新添加为 E820_TYPE_RAMe820__range_add(start, size, E820_TYPE_RAM);
}

• 背景：BIOS 或 bootloader 提供的 E820 内存映射表可能不准确，有时会错误地将内核代码和数据所在的内存区域标记为“保留”或“不可用”（如 E820_TYPE_RESERVED​）。例如：用户通过 memmap=exactmap​ 或 memmap=xxM$yyM​ 手动排除内核所在的内存区域。
• 目的：强制将内核的代码段（.text​）、数据段（.data​）和未初始化数据段（.bss​）标记为 E820_TYPE_RAM​，避免内核因运行在“非 RAM”区域而崩溃。

2.4、 e820__end_of_ram_pfn

这段代码主要用于 确定系统物理内存的边界（以页帧号 pfn​ 表示）

e820__end_of_ram_pfn    // 计算系统中可用物理内存（E820_TYPE_RAM）的最后一页的页帧号（last_pfn）。--> e820_end_pfn

函数主要功能：

（1）确定物理内存边界：通过遍历 E820 表，计算可用 RAM 的最大页帧号（last_pfn​）。

（2）区分低端/高端内存（32/64 位）：

• 32 位：直接调用 find_low_pfn_range()​。
• 64 位：根据物理内存是否超过 4GB 动态设置 max_low_pfn​，last_pfn​ 和 max_low_pfn​ 是内核内存管理的关键参数，用于初始化页表、伙伴系统等。

           MAX_ARCH_PFN (架构支持最大值)│▼e820_end_pfn() → last_pfn│┌───────┴───────┐▼               ▼max_low_pfn       max_pfn(低端内存边界)    (实际物理内存上限)│               │▼               ▼32位: find_low_pfn_range()  64位: high_memory = __va(max_pfn)物理地址空间
┌───────────────────────┐
│      Low Memory       │ ◄─max_low_pfn (直接映射区)
│  (0x00000000-3FFFFFFF)│
├───────────────────────┤
│      High Memory      │ ◄─动态映射
│  (>=0x40000000)       │
└───────────────────────┘物理地址空间
┌───────────────────────┐
│   Low Memory (<4GB)   │ ◄─max_low_pfn
├───────────────────────┤
│   High Memory (≥4GB)  │ ◄─high_memory = __va(max_pfn)
└───────────────────────┘