内核中的物理内存分配函数kernel api解析(3)

通过上面可以看到仅仅是把地址加上或减去 PAGE_OFFSET,而PAGE_OFFSET 在 x86 下定义为 0xC0000000。这里又引出了疑问,在 linux 下写过 driver 的人都知道,在使用 kmalloc() 与

__get_free_page() 分配完物理地址后,如果想得到正确的物理地址需要使用 virt_to_phys() 进行转换。那么为什么要有这一步呢?我们不分配的不就是物理地址么?怎么分配完成还需要转换?如果返回的是虚拟地址,那么根据如上对 virt_to_phys() 的分析,为什么仅仅对 PAGE_OFFSET 操作就能实现地址转换呢?虚拟地址与物理地址之间的转换不需要查页表么?代着以上诸多疑问来看 VMM 相关的引导代码。

直接从 start_kernel() 内核引导部分来查找 VMM 相关内容。可以看到第一个应该关注的函数是 setup_arch(),在这个函数当中使用paging_init() 函数来初始化和映射硬件页表(在初始化前已有 8M

内存被映射,在这里不做记录),而 paging_init() 则是调用的pagetable_init() 来完成内核物理地址的映射以及相关内存的初始化。在 pagetable_init() 函数中,首先是一些 PAE/PSE/PGE 相关判断

与设置,然后使用 kernel_physical_mapping_init() 函数来实现内核物理内存的映射。在这个函数中可以很清楚的看到,pgd_idx 是以PAGE_OFFSET 为启始地址进行映射的,也就是说循环初始化所有物理地址是以 PAGE_OFFSET 为起点的。继续观察我们可以看到在 PMD 被初始化后,所有地址计算均是以 PAGE_OFFSET 作为标记来递增的。分析到这里已经很明显的可以看出,物理地址被映射到以 PAGE_OFFSET

开始的虚拟地址空间。这样以上所有疑问就都有了答案。kmalloc() 与__get_free_page() 所分配的物理页面被映射到了 PAGE_OFFSET 开始的虚拟地址,也就是说实际物理地址与虚拟地址有一组一一对应的关系,

正是因为有了这种映射关系,对内核以 PAGE_OFFSET 启始的虚拟地址的分配也就是对物理地址的分配(当然这有一定的范围,应该在 PAGE_OFFSET与 VMALLOC_START 之间,后者为 vmalloc() 函数分配内存的启始地址)。这也就解释了为什么 virt_to_phys() 与 phys_to_virt() 函数的实现仅仅是加/减 PAGE_OFFSET 即可在虚拟地址与物理地址之间转换,正是因为了有了这种映射,且固定不变,所以才不用去查页表进行转换。这也同样回答了开始的问题,即 kmalloc() / __get_free_page() 分配的是物理地址,而返回的则是虚拟地址(虽然这听上去有些别扭)。正是因为有了这种映射关系,所以需要将它们的返回地址减去 PAGE_OFFSET 才可以得到真正的物理地址。

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