虚拟内存管理
基本概念
虚拟内存管理是计算机系统管理内存的一种技术。每个进程都有连续的虚拟地址空间，虚拟地址空间的大小由CPU的位数决定，32位的硬件平台可以提供的最大的寻址空间为0-4GiB。整个4GiB空间分成两部分，LiteOS-A内核占据3GiB的高地址空间，1GiB的低地址空间留给进程使用。各个进程空间的虚拟地址空间是独立的，代码、数据互不影响。
系统将虚拟内存分割为称为虚拟页的内存块，大小一般为4KiB或64KiB，LiteOS-A内核默认的页的大小是4KiB，根据需要可以对MMU（Memory Management Units）进行配置。虚拟内存管理操作的最小单位就是一个页，LiteOS-A内核中一个虚拟地址区间region包含地址连续的多个虚拟页，也可只有一个页。同样，物理内存也会按照页大小进行分割，分割后的每个内存块称为页帧。虚拟地址空间划分：内核态占高地址3GiB(0x40000000 ~ 0xFFFFFFFF)，用户态占低地址1GiB(0x01000000 ~ 0x3F000000)，具体见下表，详细可以查看或配置los_vm_zone.h。
表 1 内核态地址规划：
Zone名称
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描述
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属性
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DMA zone
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供IO设备的DMA使用。
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Uncache
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Normal zone
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加载内核代码段、数据段、堆和栈的地址区间。
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Cache
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high mem zone
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可以分配连续的虚拟内存，但其所映射的物理内存不一定连续。
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Cache
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表 2 用户态虚地址规划：
Zone名称
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描述
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属性
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|---|
代码段
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用户态代码段地址区间。
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Cache
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堆
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用户态堆地址区间。
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Cache
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栈
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用户态栈地址区间。
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Cache
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共享库
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用于加载用户态共享库的地址区间，包括mmap所映射的区间。
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Cache
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运行机制
虚拟内存管理中，虚拟地址空间是连续的，但是其映射的物理内存并不一定是连续的，如下图所示。可执行程序加载运行，CPU访问虚拟地址空间的代码或数据时存在两种情况：
- CPU访问的虚拟地址所在的页，如V0，已经与具体的物理页P0做映射，CPU通过找到进程对应的页表条目（详见虚实映射），根据页表条目中的物理地址信息访问物理内存中的内容并返回。
- CPU访问的虚拟地址所在的页，如V2，没有与具体的物理页做映射，系统会触发缺页异常，系统申请一个物理页，并把相应的信息拷贝到物理页中，并且把物理页的起始地址更新到页表条目中。此时CPU重新执行访问虚拟内存的指令便能够访问到具体的代码或数据。
图 1 内存映射示意图
开发指导
接口说明
表 3 虚拟内存管理模块接口
功能分类
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接口名称
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描述
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|---|
获取进程空间系列接口
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LOS_CurrSpaceGet
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获取当前进程空间结构体指针
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LOS_SpaceGet
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获取虚拟地址对应的进程空间结构体指针
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LOS_GetKVmSpace
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获取内核进程空间结构体指针
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LOS_GetVmallocSpace
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获取vmalloc空间结构体指针
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LOS_GetVmSpaceList
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获取进程空间链表指针
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虚拟地址区间region相关的操作
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LOS_RegionFind
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根据起始地址在进程空间内查找是否存在虚拟地址区间
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LOS_RegionRangeFind
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根据地址区间在进程空间内查找是否存在虚拟地址区间
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LOS_IsRegionFileValid
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判断虚拟地址区间region是否与文件关联映射
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LOS_RegionAlloc
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申请空闲的虚拟地址区间
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LOS_RegionFree
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释放进程空间内特定的region
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LOS_RegionEndAddr
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获取指定地址区间region的结束地址
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LOS_RegionSize
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获取region的大小
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LOS_IsRegionTypeFile
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判断是否为文件内存映射
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LOS_IsRegionPermUserReadOnly
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判断地址区间是否是用户空间只读属性
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LOS_IsRegionFlagPrivateOnly
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判断地址区间是否是具有私有属性
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LOS_SetRegionTypeFile
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设置文件内存映射属性
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LOS_IsRegionTypeDev
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判断是否为设备内存映射
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LOS_SetRegionTypeDev
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设置设备内存映射属性
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LOS_IsRegionTypeAnon
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判断是否为匿名映射
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LOS_SetRegionTypeAnon
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设置匿名映射属性
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地址校验
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LOS_IsUserAddress
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判断地址是否在用户态空间
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LOS_IsUserAddressRange
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判断地址区间是否在用户态空间
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LOS_IsKernelAddress
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判断地址是否在内核空间
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LOS_IsKernelAddressRange
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判断地址区间是否在内核空间
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LOS_IsRangeInSpace
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判断地址区间是否在进程空间内
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vmalloc操作
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LOS_VMalloc
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vmalloc申请内存
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LOS_VFree
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vmalloc释放内存
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LOS_IsVmallocAddress
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判断地址是否是通过vmalloc申请的
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内存申请系列接口
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LOS_KernelMalloc
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申请小于16KiB的内存则通过堆内存池获取，否则申请多个连续物理页
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LOS_KernelMallocAlign
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申请具有对齐属性的内存，申请规则：申请小于16KiB的内存则通过堆内存池获取，否则申请多个连续物理页
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LOS_KernelFree
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释放内核堆内存
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LOS_KernelRealloc
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重新分配内核内存空间
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其他
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LOS_PaddrQuery
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根据虚拟地址获取对应的物理地址
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LOS_VmSpaceFree
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释放进程空间，包括虚拟内存区间、页表等信息
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LOS_VmSpaceReserve
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在进程空间中预留一块内存空间
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LOS_VaddrToPaddrMmap
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将指定长度的物理地址区间与虚拟地址区间做映射，需提前申请物理地址区间
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LOS_UserSpaceVmAlloc
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根据地址、大小、权限等信息在用户进程空间内申请地址区间region
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开发流程
虚拟内存相关接口的使用：
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根据进程空间获取的系列接口可以得到进程空间结构体，进而可以读取结构体相应信息。
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对虚拟地址区间做相关操作：
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通过LOS_RegionAlloc申请虚拟地址区间；
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通过LOS_RegionFind、LOS_RegionRangeFind可以查询是否存在相应的地址区间；
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通过LOS_RegionFree释放虚拟地址区间。
-
vmalloc接口及内存申请系列接口可以在内核中根据需要申请内存。
说明：
内存申请系列接口申请的内存要求物理内存是连续的，当系统内存无法满足大块连续内存的申请条件时会申请失败，一般适用于小块内存的申请；vmalloc相关接口申请的内存可以获得不连续的物理内存，但其是以页（当前系统一个页为4096字节）为单位的，当需要申请以页为整数倍的内存时可以通过vmalloc申请，例如文件系统中文件读取需要较大的缓存，便可以通过vmalloc相关接口申请内存。