kmemory

Youtube-запись от 2025-04-25: https://youtu.be/km0Q6NOJWUY

Виртуальная и физическая память в ядре Linux • Щупаем средствами C

Есть смутное подозрение, что в ядре память какая-то другая

kmalloc() намекает

cat /proc/meminfo узнаем параметры памяти

free -h сколько занято и сколько свободно

А что за /proc ?

Тут используются «истинные» килобайты из 1024 байт (нынче — кибибайты). Не то чтобы это было важным, о нет.

Теперь потребуется ещё и физическая память

• А до этого что было?! Виртуальная.

flowchart LR

subgraph Виртуальная
address(адрес)
...(...)
end
Виртуальная:::virt

subgraph Физическая
ram{{ОЗУ}}
disk{{диск}}
other{{???}}
end
Физическая:::real

address:::unit ==> a_((•))
a_:::point ==> ram:::unit
a_ -.-> disk:::unit
a_ -.-> other:::unit

classDef virt fill:#D79921,color:#fff;
classDef real fill:#979736,color:#fff;
classDef unit fill:#fff;
classDef point fill:#8F3F71,color:#8F3F71;

Loading

grep VmallocTotal /proc/meminfo

Paging (работа со страницами): основа всей работы с памятью. Ой.

grep MemTotal /proc/meminfo

Swapping (подкачка): сброс на диск из ОЗУ неиспользуемых кусков.

Как добраться от виртуального адреса к физическому (и наоборот)?

• Виртуальные адреса актуальны внутри процессов (в том числе процессов ядра). Физические — объективны.

• Устройства пишут напрямую в физическую память. Это называется Direct Memory Access (DMA). Поэтому драйвер должен оперировать в том числе адресами в физической памяти.

• Физический адрес подозрительно напоминает виртуальный. Но по смыслу — вообще другое.

Да, они разные

#include <linux/mm.h>
#include <asm/io.h>
...
int * my_data = kmalloc(1, GFP_KERNEL);
if(!my_data)…
...
phys_addr_t phys_addr = virt_to_phys(my_data);
pr_info("Phys: %pa\n", &phys_addr);  // Внимание! %pa нужен указатель!
...
void * virt_addr = phys_to_virt(phys_addr);
pr_info("Virt: %p\n", virt_addr);
...

• А если my_data поместить в другое место? В стек, например. Ой.
• Обратная конвертация работает только для lowmem
• Основная (не вся!) часть lowmem: cat /proc/zoneinfo | grep -b10 Normal

А подробней про эту магию?

• До байт добираются через систему таблиц адресации
• Таблицами управляет процессор (его MMU)
• От адресов крупных кусков к мелким: PGD → P4D → PUD → PMD → PTE
• Адресация клеток таблиц зашита в виртуальном адресе

flowchart TB
virt

subgraph Таблицы
PGD -.->
P4D -.->
PUD -.->
PMD -.->
PTE
end

virt:::virt ==> Таблицы:::point ==> phys:::real

classDef virt fill:#D79921,color:#fff;
classDef real fill:#979736,color:#fff;
classDef unit fill:#fff;
classDef point fill:#8F3F71,color:#8F3F71;

Loading

#include <asm/pgtable.h>
...
		unsigned long va = (unsigned long)&show_pgd_init;  // Просто взять свой собственный адрес
    pgd_t *pgd;

    pr_info("Virtual address: %lx\n", va);

    pgd = pgd_offset(current->mm, va);
    if (pgd_none(*pgd) || pgd_bad(*pgd)) {
        pr_err("Invalid or missing PGD entry!\n");
        return -1;
    }

    pr_info("PGD entry: %p -> 0x%016llx\n", pgd, (unsigned long long)pgd_val(*pgd));

• Интересный current->mm, да? Это карта пользовательской области памяти

• Или даже вот так:

  Уровень	Адрес	Индекс	Размер таблицы
  PGD	mm->pgd	(addr >> 39) & 0x1FF	512 записей
  P4D	PGD	(addr >> 39) & 0x1FF	(часто совпадает)
  PUD	P4D	(addr >> 30) & 0x1FF	512 записей
  PMD	PUD	(addr >> 21) & 0x1FF	512 записей
  PTE	PMD	(addr >> 12) & 0x1FF	512 записей

00000100011001010001000100011001010001000 → 010100010