linux 内存区域(Zone)

在 Linux 内核内存管理中，内存区域（Zone） 是对物理内存的逻辑划分，目的是适配不同硬件架构的内存特性、满足内核不同场景的分配需求。内核根据内存寻址能力 、硬件限制 和用途将物理页框划分到不同 Zone，每个 Zone 有独立的页分配器和管理策略。

核心设计目标

解决硬件限制 ：例如 32 位系统中，直接映射的物理内存（ZONE_DMA/ZONE_NORMAL）和高位内存（ZONE_HIGHMEM）的寻址差异。
区分内存用途：不同 Zone 对应不同的分配场景（如 DMA 设备专用内存、内核常规内存）。
简化内存管理：每个 Zone 独立维护空闲页链表、水位线（watermark），避免跨 Zone 竞争。

主流架构的 Zone 划分

不同 CPU 架构（32 位 x86、64 位 x86_64、ARM 等）的 Zone 划分存在差异，以下是最典型的 x86 架构 划分：

Zone 类型	物理内存范围（x86 32 位）	核心用途	关键特性
ZONE_DMA	0 ~ 16MB	供 DMA 设备使用	1. 设备直接访问物理内存，无需 MMU 映射2. 地址必须在 16MB 以下（受老式 DMA 控制器限制）3. 内核直接映射到虚拟地址空间
ZONE_NORMAL	16MB ~ 896MB	内核常规使用	1. 物理内存与内核虚拟地址一一直接映射（线性映射）2. 内核访问无开销，是最常用的 Zone3. 虚拟地址 = 物理地址 + `PAGE_OFFSET`（x86 中为 `0xC0000000`）
ZONE_HIGHMEM	896MB ~ 最大物理内存	高位内存	1. 超过 896MB 的物理内存，无固定虚拟地址映射 2. 内核需通过临时映射（如 `kmap()`）或永久映射（如 `vmalloc()`）访问3. 主要用于用户态进程，内核仅在必要时映射使用

在 64 位系统中，虚拟地址空间极大（如 48 位虚拟地址支持 256TB 空间），内核可以直接映射全部物理内存，因此 ZONE_HIGHMEM 几乎被废弃 ，仅保留 ZONE_DMA、ZONE_DMA32 和 ZONE_NORMAL：

ZONE_DMA32：新增 Zone，供 32 位 DMA 设备使用，地址范围 0 ~ 4GB。
ZONE_NORMAL：覆盖 4GB 以上的所有物理内存，全部直接映射。

注意 ZONE_HIGHMEM 的差异：64 位系统中无需处理临时映射，而 32 位系统中访问 ZONE_HIGHMEM 需使用 kmap()/kunmap()。

ZONE_HIGHMEM

ZONE_HIGHMEM 是 Linux 内核内存管理中专门用于标识高位内存 的内存区域，其核心特点是无固定内核虚拟地址映射，仅在 32 位架构下有实际意义，64 位架构中基本被废弃。

在 32 位 x86 架构 中，虚拟地址空间为 4GB ，内核默认划分 1GB 内核空间 （0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF）和 3GB 用户空间 （0x00000000 ~ 0xBFFFFFFF）。

内核空间需要映射物理内存以直接访问，1GB 内核虚拟地址最多只能映射 896MB 物理内存（剩余 128MB 用于内核自身镜像、vmalloc 区域等）。
当物理内存超过 896MB 时，超出部分无法被内核直接映射，这部分内存就被划分为 ZONE_HIGHMEM。

简单来说：ZONE_HIGHMEM 是 32 位系统突破 896MB 物理内存限制的关键机制。

核心特性

特性	说明
地址映射	无固定内核虚拟地址映射，需通过临时映射或永久映射访问
物理范围	32 位 x86：`896MB ~ 最大物理内存`
主要用途	分配给用户态进程（用户页表可自由映射），内核仅在必要时临时映射使用
分配限制	内核无法直接分配 ZONE_HIGHMEM 内存作为内核数据结构（如内核栈、页表），因为这些结构需要永久映射
架构差异	64 位 x86_64 架构虚拟地址空间极大（如 48 位虚拟地址支持 256TB），内核可直接映射全部物理内存，因此 ZONE_HIGHMEM 无意义，内核配置中默认关闭

ZONE_HIGHMEM的两种访问方式

由于 ZONE_HIGHMEM 没有固定虚拟地址，内核访问其物理页时必须通过动态映射的方式；

1. 临时映射（kmap/kunmap）

原理：内核预留一块固定大小的虚拟地址区域 （称为 kmap_atomic 区域），作为临时映射窗口，每次映射一个物理页，用完立即释放。
特点：原子操作，不可睡眠，适用于中断上下文或持有自旋锁的场景。

核心接口

复制代码

// 临时映射物理页到内核虚拟地址，返回虚拟地址
void *kmap_atomic(struct page *page);

// 解除临时映射
void kunmap_atomic(void *kvaddr);

限制：映射窗口数量有限（如 x86 为 4 个），不可嵌套调用。

2. 永久映射（kmap/kunmap）

原理：使用 vmalloc 区域的虚拟地址，为物理页建立长期映射，映射后可睡眠，适用于进程上下文。

核心接口

复制代码

// 为物理页建立永久映射，若页在 ZONE_NORMAL 则直接返回虚拟地址
void *kmap(struct page *page);

// 解除永久映射
void kunmap(struct page *page);

特点：映射数量无严格限制，但需避免频繁映射 / 解除以减少开销。

在 32 位 x86 系统中，内核内存分配的 Zone 优先级从高到低为：ZONE_DMA > ZONE_NORMAL > ZONE_HIGHMEM

内核优先从高优先级 Zone 分配内存（如 DMA 设备必须用 ZONE_DMA）。
当目标 Zone 内存不足时，才会尝试从低优先级 Zone 分配（需满足 gfp_mask 限制）。
ZONE_HIGHMEM 是最后被尝试的 Zone，且仅能分配给用户态或允许临时映射的内核场景。

在 x86_64 等 64 位架构 中，虚拟地址空间足够大（如 48 位虚拟地址支持 256TB），内核可以直接映射全部物理内存，因此：

内核配置中 CONFIG_HIGHMEM 默认关闭，ZONE_HIGHMEM 不存在。
所有物理内存被划分为 ZONE_DMA（0~16MB）、ZONE_DMA32（0~4GB）和 ZONE_NORMAL（4GB 以上）。
无需使用 kmap 等临时映射接口，内核可直接通过 page_to_virt() 获取物理页的虚拟地址。

Zone 的核心数据结构

Zone 的关键管理机制

伙伴系统（Buddy System）： 每个 Zone 独立维护伙伴系统，用于管理连续物理页的分配与释放。free_area 数组按页块大小（2^0 ~ 2^MAX_ORDER-1 个页）组织空闲页，解决内存碎片问题。
**水位线（Watermark）：**每个 Zone 有三个水位，触发不同的内存管理行为：
- WMARK_MIN：最低水位，内存极度紧张，禁止普通分配，仅允许内核紧急分配。
- WMARK_LOW：低水位，触发内存回收（kswapd 内核线程）。
- WMARK_HIGH：高水位，内存充足，kswapd 停止回收。
跨 Zone 分配策略： 当目标 Zone 内存不足时，内核会尝试从优先级更低 的 Zone 分配（需配置 CONFIG_ZONE_DMA 等选项），优先级顺序：
- ZONE_DMA < ZONE_NORMAL < ZONE_HIGHMEM（32 位）
- ZONE_DMA < ZONE_DMA32 < ZONE_NORMAL（64 位）

特殊 Zone 类型

ZONE_DEVICE

ZONE_DEVICE 是 Linux 内核 4.0+ 引入的特殊内存区域，用于管理非系统 RAM 的设备内存（如 PMEM、GPU 显存、NVDIMM 等），这类内存不属于系统物理内存，通过 device memory 机制接入内核内存管理体系；

核心价值是通过内核统一的页管理框架（struct page）为设备内存提供映射、分配和生命周期管理能力，同时支持热插拔与非易失特性。

核心定位	说明
非 RAM 内存的抽象	管理物理上不属于系统主存的设备内存，如持久内存、加速器显存
统一页管理	为设备内存创建 `struct page` 实例，使其可被伙伴系统、slab 等内核子系统识别
热插拔兼容	支持设备内存的动态添加 / 移除，不依赖系统启动时的内存初始化流程
映射与访问	提供内核 / 用户态映射接口，支持设备内存的直接访问或 DMA 操作
架构无关	适配 x86_64、ARM64 等所有主流架构，仅需启用 `CONFIG_ZONE_DEVICE` 配置

核心差异

物理本质不同：传统 Zone 管理系统 RAM，ZONE_DEVICE 管理设备提供的内存（非 RAM），断电后数据可能持久化（如 PMEM）。
页分配行为 ：
- 传统 Zone 由内核伙伴系统负责分配 / 释放，支持 alloc_pages() 等通用接口。
- ZONE_DEVICE 的内存由设备驱动或内存控制器（如 libnvdimm）管理，内核仅创建 struct page 并维护映射关系，不参与物理页的分配。
生命周期独立：设备内存的生命周期与设备绑定，支持热插拔（如 NVDIMM 动态上线 / 下线），传统 Zone 则依赖系统启动时的内存初始化。
内存回收策略：ZONE_DEVICE 不参与内核常规内存回收（如 kswapd 扫描），其回收由设备驱动或用户态程序主动触发。

核心数据结构

ZONE_DEVICE 的 struct page 包含专属字段，用于关联设备信息：

核心操作流程

分配 dev_pagemap：初始化设备指针、物理地址范围、分配 / 释放回调。

设备内存注册
分配 dev_pagemap：初始化设备指针、物理地址范围、分配 / 释放回调。
创建 struct page 数组 ：通过 memremap_pages() 为设备内存创建页描述符，关联到 ZONE_DEVICE。
注册到内存节点 ：ZONE_DEVICE 被关联到特定 NUMA 节点，内核通过 node_zones 管理。
内存映射与访问

内核态映射 ：使用 devm_memremap() 将设备物理地址映射到内核虚拟地址，适用于驱动直接访问。
用户态映射 ：通过 mmap() 系统调用，将 ZONE_DEVICE 管理的设备内存映射到用户空间（需驱动实现 mmap 接口）。

设备内存注销

当设备移除时，驱动通过以下步骤清理：

调用 memunmap_pages(pgmap) 释放 struct page 数组。
通过 devm_kfree() 释放 dev_pagemap 结构。
内核自动从 ZONE_DEVICE 中移除该内存范围，避免悬空引用。

典型应用场景

持久内存（PMEM/NVDIMM） ：通过 libnvdimm 驱动将 NVDIMM 设备内存注册到 ZONE_DEVICE，支持 mmap 持久化访问，用于数据库、键值存储等场景。
GPU / 加速器显存 ：显卡驱动将显存注册为 ZONE_DEVICE，内核通过 struct page 管理显存页，支持 DMA 操作和用户态直接映射（如 CUDA 显存映射）。
热插拔设备内存：工业场景中动态添加 / 移除的内存扩展卡，通过 ZONE_DEVICE 实现无重启内存扩容。

ZONE_MOVABLE

ZONE_MOVABLE 是 Linux 内核中核心的「内存碎片治理专用」内存域 ，内核 3.8+ 正式引入并完善，是解决物理内存碎片化 的核心方案，通过 CONFIG_MOVABLE_NODE 启用。

ZONE_MOVABLE（可移动内存域）是 Linux 内核划分的标准内存区域 ，属于物理内存（系统 RAM）的一部分，专门存放「可迁移的物理内存页」 ，内核通过该区域将「可移动页」和「不可移动页」做强制隔离，彻底根治长期运行系统的内存碎片问题。

内存碎片

Linux 内核的伙伴系统（buddy）能解决小块内存碎片 ，但解决不了长期运行产生的「顽固内存碎片」：

内核中存在两种类型的物理页：

不可移动页 (Unmovable Pages) ：页的物理地址绝对不能变，一旦分配后物理地址固定。比如：内核栈、内核代码段、内核数据结构、DMA 缓冲区、页表本身、设备驱动的核心缓冲区。
可移动页 (Movable Pages) ：页的物理地址可以随意迁移，内核提供成熟的页面迁移机制（page migration），迁移后虚拟地址不变，仅修改物理地址映射。比如：用户态进程的匿名页、文件缓存页、共享内存页。

没有 ZONE_MOVABLE 时，可移动页和不可移动页会随机混杂在 ZONE_NORMAL 中 ，长期分配 / 释放后，内存中会充斥着大量「被不可移动页隔开的小空闲块」，内核无法凑出连续的大物理页 （比如 2MB/1GB 巨页），哪怕总空闲内存很多，也会出现「内存充足但大页分配失败」的问题，这就是内存碎片化。

ZONE_MOVABLE 的核心目标 ：把所有「可移动页」塞进这个专属区域，把「不可移动页」留在 ZONE_DMA/ZONE_DMA32/ZONE_NORMAL 这些普通 Zone，物理地址上彻底隔离两类页面，让普通 Zone 不会产生碎片，让 ZONE_MOVABLE 内部的碎片可以通过「页面迁移」轻松合并成连续大页。

核心特性

仅存放「可移动页」：ZONE_MOVABLE 是「纯可移动页容器」，内核严格禁止任何「不可移动页」被分配到该区域，这是硬性规则；
页面可被内核主动迁移 ：内核的 migrate_pages() 接口可以随时把 ZONE_MOVABLE 内的物理页迁移到同 Zone 的其他物理地址，无任何副作用；
属于「系统物理内存」 ：和 ZONE_DEVICE 完全不同，ZONE_MOVABLE 管理的是真实的内存条 RAM，不是设备内存，断电数据丢失；
无固定物理地址范围 ：和 ZONE_DMA (0~16MB)、ZONE_NORMAL (16~896MB) 不同，ZONE_MOVABLE 没有固定的物理内存区间，它是从 ZONE_NORMAL 中「划出一部分内存」形成的逻辑分区；
不参与 DMA 分配：DMA 设备需要的内存是「不可移动 + 物理地址连续 + 固定范围」，因此 ZONE_MOVABLE 永远不会被用于 DMA 分配；
无独立伙伴系统：ZONE_MOVABLE 复用内核的伙伴系统管理空闲页，和普通 Zone 一致，支持页块的合并 / 拆分。
ZONE_MOVABLE 是唯一「纯可移动页」的标准物理内存域，这是它和所有其他 Zone 的本质区别。