内核内存布局

64位Linux一般使用48位来表示虚拟地址空间，43位表示物理地址， 通过命令：cat /proc/cpuinfo。

cat /proc/meminfo

ARM64架构处理器采用48位物理寻址机制，最大可寻找256TB的物理地址空间。对于目前应用完全足够，不需要扩展到64位的物理寻址。虚拟地址也同样最大支持48位寻址，所以 在处理器架构设计上，把虚拟地址空间划分为两个空间，每个空间最大支持256TB，linux内核在大多数体系结构上都把两个地址划分为：用户空间和内核空间。

用户空间：0x0000_0000_0000_0000至0x0000_ffff_ffff_ffff。 内核空间：0xffff_0000_0000_0000至0xffff_ffff_ffff_ffff。

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内存布局

• QEMU平台，可以打印ARM64架构linux内核内存分布情况。

堆管理

• 堆是进程中主要用于动态分配变量和数据 的内存区域，堆的管理对应程序员不是直接可见的。因为它依赖标准库提供的各个辅助函数（其 中最重要的是malloc）来分配任意长度的内存区。 malloc和内核之间的经典接口是brk系统调用，负责扩展/收缩堆。 堆是一个连续的内存区域，在扩展时自下至上增长。其中mm_struct结构，包含堆在虚拟地 址空间中的起始和当前结束地址(start_brk和brk)。

sys_brk流程

• brk机制基于匿名映射实现，以减少内部的开销。在检查过用于brk的值的新地址未超出堆的限制之后，sys_brk第一个重要的操作是将请求的地址按页长对齐。

• brk()用于用户进程想内核申请空间，用于扩展用户堆栈空间，或者回收用户堆栈空间。

• malloc()为小空间申请，brk()为大空间申请。do_brk()用于增长动态分配区。do_munmap()释放动态分配区。

do_brk()源码分析

• 大内核锁BKL

• 递归锁：嵌套上锁解锁。

• 自动释放特性。

• 本质上自旋锁，不同在于自旋锁不可以递归获取锁（会导致死锁），大内核锁可以递归获取锁，保护整个内核。保持锁的时间太长，严重影响系统性能和可伸缩性，因而被淘汰。

• 【注意】

• 原子操作对整数操作，自旋锁和信号量应用比较广泛。当临界区小应该选择自旋锁，反之应该信号量。

• per-CPU计数器

• 引入目的是加速SMP系统上计数器操作。

• 基本原理：

• 计数器的准确值存储在内存中的某一个地址，准确值所在内存位置之后是一个数组，每个数组想对应于系统中的一个CPU。

• Linux系统尤其是针对SMP或者NUMA架构的多CPU系统的时候，主要描述每个CPU私有数据时，系统提供该机制per-cpu。

• 三种CPU模式：x86 x64 ia64

• X86表示基于X86指令安装模式；

• x64表示64位系统程序；

• ia64主要用于企业级服务器，inter安腾架构基于a64处理器架构的服务器，64位运算能力、寻址空间，数据处理能力方面突破性提高。

• 总结

• 本文介绍了内核的内存布局，分布情况，堆管理，malloc与brk区别，大内核锁，per-CPU计数器等。