我們首先從進程的角度，來看linux中的內存空間。
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Linux中的地址空間（一）
有這麼一系列的問題，是否在困擾著你：用戶程序編譯連接形成的地址空間在什麼范圍內？內核編譯後地址空間在什麼范圍內？要對外設進行訪問，I/O的地址空間又是什麼樣的？
先回答第一個問題。Linux最常見的可執行文件格式為elf(Executable and Linkable Format)。在elf格式的可執行代碼中，ld總是從0x8000000開始安排程序的“代碼段”，對每個程序都是這樣。至於程序執行時在物理內存中的實際地址，則由內核為其建立內存映射時臨時分配，具體地址取決於當時所分配的物理內存頁面。
我們可以用Linux的實用程序objdump對你的程序進行反匯編，從而知曉其地址范圍。
例如：假定我們有一個簡單的C程序Hello.c
# include <stdio.h>
greeting ( ) {
printf(“Hello,world!\n”);
}
main() {
greeting();
}
之所以把這樣簡單的程序寫成兩個函數，是為了說明指令的轉移過程。我們用gcc和ld對其進行編譯和連接，得到可執行代碼hello。然後，用Linux的實用程序objdump對其進行反匯編：
$objdump –d hello
得到的主要片段為：
08048568 <greeting>:
8048568: pushl %ebp
8048569: movl %esp, %ebp
804856b: pushl $0x809404
8048570: call 8048474 <_init+0x84>
8048575: addl $0x4, %esp
8048578: leave
8048579: ret
804857a: movl %esi, %esi
0804857c <main>:
804857c: pushl %ebp
804857d: movl %esp, %ebp
804857f: call 8048568 <greeting>
8048584: leave
8048585: ret
8048586: nop
8048587: nop
其中，像08048568這樣的地址，就是我們常說的虛地址（這個地址實實在在的存在，只不過因為物理地址的存在，顯得它是“虛”的罷了）。
虛擬內存、內核空間和用戶空間
Linux虛擬內存的大小為2^32（在32位的x86機器上），內核將這4G字節的空間分為兩部分。最高的1G字節（從虛地址0xC0000000到0xFFFFFFFF）供內核使用，稱為“內核空間”。而較低的3G字節（從虛地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各個進程使用，稱為“用戶空間”。因為每個進程可以通過系統調用進入內核，因此，Linux內核空間由系統內的所有進程共享。於是，從具體進程的角度來看，每個進程可以擁有4G字節的虛擬地址空間(也叫虛擬內存)。
每個進程有各自的私有用戶空間（0～3G），這個空間對系統中的其他進程是不可見的。最高的1GB內核空間則為所有進程以及內核所共享。另外，進程的“用戶空間”也叫“地址空間”，在後面的敘述中，我們對這兩個術語不再區分。
用戶空間不是進程共享的，而是進程隔離的。每個進程最大都可以有3GB的用戶空間。一個進程對其中一個地址的訪問，與其它進程對於同一地址的訪問絕不沖突。比如，一個進程從其用戶空間的地址0x1234ABCD處可以讀出整數8，而另外一個進程從其用戶空間的地址0x1234ABCD處可以讀出整數20，這取決於進程自身的邏輯。
任意一個時刻，在一個CPU上只有一個進程在運行。所以對於此CPU來講，在這一時刻，整個系統只存在一個4GB的虛擬地址空間，這個虛擬地址空間是面向此進程的。當進程發生切換的時候，虛擬地址空間也隨著切換。由此可以看出，每個進程都有自己的虛擬地址空間，只有此進程運行的時候，其虛擬地址空間才被運行它的CPU所知。在其它時刻，其虛擬地址空間對於CPU來說，是不可知的。所以盡管每個進程都可以有4 GB的虛擬地址空間，但在CPU眼中，只有一個虛擬地址空間存在。虛擬地址空間的變化，隨著進程切換而變化。
從上面我們知道，一個程序編譯連接後形成的地址空間是一個虛擬地址空間，但是程序最終還是要運行在物理內存中。因此，應用程序所給出的任何虛地址最終必須被轉化為物理地址，所以，虛擬地址空間必須被映射到物理內存空間中，這個映射關系需要通過硬件體系結構所規定的數據結構來建立。這就是我們所說的段描述符表和頁表，Linux主要通過頁表來進行映射。
於是，我們得出一個結論，如果給出的頁表不同，那麼CPU將某一虛擬地址空間中的地址轉化成的物理地址就會不同。所以我們為每一個進程都建立其頁表，將每個進程的虛擬地址空間根據自己的需要映射到物理地址空間上。既然某一時刻在某一CPU上只能有一個進程在運行，那麼當進程發生切換的時候，將頁表也更換為相應進程的頁表，這就可以實現每個進程都有自己的虛擬地址空間而互不影響。所以，在任意時刻，對於一個CPU來說，只需要有當前進程的頁表，就可以實現其虛擬地址到物理地址的轉化。
Linux內核空間（二）
內核空間到物理內存的映射
內核空間對所有的進程都是共享的，其中存放的是內核代碼和數據，而進程的用戶空間中存放的是用戶程序的代碼和數據，不管是內核程序還是用戶程序，它們被編譯和連接以後，所形成的指令和符號地址都是虛地址（參見2.5節中的例子），而不是物理內存中的物理地址。
雖然內核空間占據了每個虛擬空間中的最高1GB字節，但映射到物理內存卻總是從最低地址（0x00000000）開始的，如圖4.2所示，之所以這麼規定，是為了在內核空間與物理內存之間建立簡單的線性映射關系。其中，3GB（0xC0000000）就是物理地址與虛擬地址之間的位移量，在Linux代碼中就叫做PAGE_OFFSET。
我們來看一下在include/asm/i386/page.h頭文件中對內核空間中地址映射的說明及定義：
#define __PAGE_OFFSET (0xC0000000)
……
#define PAGE_OFFSET ((unsigned long)__PAGE_OFFSET)
#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
對於內核空間而言，給定一個虛地址x，其物理地址為“x- PAGE_OFFSET”，給定一個物理地址x，其虛地址為“x+ PAGE_OFFSET”。
這裡再次說明，宏__pa()僅僅把一個內核空間的虛地址映射到物理地址，而決不適用於用戶空間，用戶空間的地址映射要復雜得多，它通過分頁機制完成。
內核空間為3GB~4GB，這1GB的空間分為如下幾部分。
先說明符號的含義：
PAGE_OFFSET: 0XC0000000,即3GB
high_memory: 這個變量的字面含義是高端內存，到底什麼是高端內存，Linux內核規定，RAM的前896為所謂的低端內存，而896~1GB共128MB為高端內存。如果你的內存是512M，那麼high_memory是多少？是3GB+512M，也就是說，物理地址x<=896M,就有內核地址0xc0000000+x，否則，high_memory=0xc0000000+896M
或者說high_memory實際值為0xc0000000+x,但最大不能超過0xc0000000+896M
在源代碼中函數mem_init中，有這樣一行：
high_memory = (void *) __va(max_low_pfn * PAGE_SIZE);
其中，max_low_pfn為物理內存的最大頁數。
所以在圖中，PAGE_OFFSET到high_memory 之間就是所謂的物理內存映射。只有這一段之間物理地址與虛地址之間是簡單的線性關系。
還要說明的是，要在這段內存分配內存，則調用kmalloc()函數。反過來說，通過kmalloc（）分配的內存，其物理頁是連續的。
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);
* The @flags argument may be one of:
* %GFP_USER - Allocate memory on behalf of user. May sleep.
* %GFP_KERNEL - Allocate normal kernel ram. May sleep.
* %GFP_ATOMIC - Allocation will not sleep.
VMALLOC_START：非連續區的的起始地址。
VMALLOC_END：非連續區的的末尾地址
在非連續區中，物理內存映射的末端與第一個VMalloc之間有一個8MB的安全區，目的是為了“捕獲”對內存的越界訪問。處於同樣的理由，插入其他4KB的安全區來隔離非連續區。
非連續區的分配調用vmalloc（）函數。
void *vmalloc(unsigned long size);
vmalloc()與 kmalloc()都是在內核代碼中用來分配內存的函數，但二者有何區別？
從前面的介紹已經看出，這兩個函數所分配的內存都處於內核空間，即從3GB～4GB；但位置不同，kmalloc()分配的內存處於3GB～high_memory之間，這一段內核空間與物理內存的映射一一對應，而vmalloc()分配的內存在VMALLOC_START～4GB之間，這一段非連續內存區映射到物理內存也可能是非連續的。
vmalloc()工作方式與kmalloc()類似， 其主要差別在於前者分配的物理地址無需連續，而後者確保頁在物理上是連續的（虛地址自然也是連續的）。
盡管僅僅在某些情況下才需要物理上連續的內存塊，但是，很多內核代碼都調用kmalloc()，而不是用vmalloc()獲得內存。這主要是出於性能的考慮。vmalloc()函數為了把物理上不連續的頁面轉換為虛擬地址空間上連續的頁，必須專門建立頁表項。還有，通過vmalloc()獲得的頁必須一個一個的進行映射（因為它們物理上不是連續的），這就會導致比直接內存映射大得多的緩沖區刷新。因為這些原因，vmalloc()僅在絕對必要時才會使用——典型的就是為了獲得大塊內存時，例如，當模塊被動態插入到內核中時，就把模塊裝載到由vmalloc()分配的內存上。
