2. 页与区（Zone）：页框、页描述符与内存区

在 Linux 内核中，物理内存管理的最小单位是页框（Page Frame），而内核通过页描述符（struct page）来管理每一个页框。为了应对不同硬件（如 DMA 设备）和不同地址空间的限制，内核又将物理内存划分为若干个内存区（Zone）。理解这三者的概念与用途，是掌握内核内存管理的基础。

2.1 页框（Page Frame）

页框是物理内存的固定大小分块，通常为 4KB（在 ARM64 或 x86_64 上也可配置为 16KB 或 64KB）。内核将整个物理内存划分为连续的页框，每个页框都有一个唯一的编号（PFN，Page Frame Number）。

• 大小固定：标准大小为 4KB，与 MMU 的页表粒度一致。
• 物理连续：页框在物理地址上是连续的，但映射到虚拟地址时可以非连续。
• 分配单位：伙伴系统（Buddy System）以页框为单位进行分配和释放。

2.2 页描述符（struct page）

内核为每一个物理页框维护一个 struct page 结构体，该结构体记录了页框的状态、引用计数、映射信息等。所有 struct page 构成一个全局数组 mem_map，通过 PFN 可以快速索引到对应的页描述符。

// include/linux/mm_types.h (简化)
struct page {
    unsigned long flags;          // 页状态标志（PG_locked, PG_dirty 等）
    atomic_t _refcount;           // 引用计数
    atomic_t _mapcount;           // 映射计数（页表映射次数）
    unsigned int private;         // 私有数据（用于文件页或 slab）
    struct address_space *mapping; // 映射的地址空间
    pgoff_t index;                // 在映射中的偏移
    struct list_head lru;         // LRU 链表节点（用于页面回收）
    void *virtual;                // 内核虚拟地址（若为低端内存则直接映射）
};

2.3 内存区（Zone）

由于硬件限制（如 DMA 设备只能访问低 16MB 物理内存）和虚拟地址空间布局（如 32 位系统无法直接映射全部物理内存），内核将物理内存划分为三个主要的内存区：

• ZONE_DMA：用于 DMA 操作的物理内存区，通常位于物理地址低端（如 0~16MB）。
• ZONE_NORMAL：内核直接映射的物理内存区，位于 ZONE_DMA 之上，在 32 位系统中通常为 16MB~896MB。
• ZONE_HIGHMEM：高端内存区，位于物理地址高于 896MB 的区域，需要临时映射才能被内核访问。

2.4 内存区与页框的关系

每个页框通过其 struct page 中的 flags 字段或所属的 zone 链表来标识它属于哪个内存区。内核在分配内存时，会根据请求的 gfp_t 标志（如 GFP_DMA、GFP_HIGHMEM）从对应的内存区中分配页框。

2.5 内存区在驱动开发中的实际意义

在编写设备驱动时，正确选择内存区至关重要：

• DMA 缓冲区：必须从 ZONE_DMA 分配，使用 GFP_DMA 标志。例如：kmalloc(size, GFP_KERNEL | GFP_DMA)。
• 普通内核缓冲区：从 ZONE_NORMAL 分配，使用 GFP_KERNEL 或 GFP_ATOMIC。
• 大块用户空间缓冲区：在 32 位系统上，如果物理内存超过 896MB，用户空间页面通常来自 ZONE_HIGHMEM，内核需要通过 kmap() 临时映射才能访问。

2.6 总结