2. 虚拟地址空间布局：用户空间与内核空间划分

虚拟地址空间布局是操作系统内存管理的基石。CPU 在 MMU 开启后，所有程序指令访问的地址都是虚拟地址，必须经过页表转换为物理地址。现代 64 位架构（x86_64、ARM64）虽然理论支持 2^64 字节的地址范围，但硬件实现通常只使用低 48 位或 52 位，并将地址空间划分为两个主要区域：用户空间和内核空间。

2.1 用户空间与内核空间划分原理

划分的核心目的是隔离与保护。用户态程序不能直接访问内核态的数据结构，必须通过系统调用陷入内核。这种划分通过页表项中的特权级标志位（如 x86 的 R/W、U/S 位，ARM64 的 AP 位）实现。

2.2 x86_64 典型布局

x86_64 架构在 Linux 中采用 3:1 非对称划分，但实际可用地址受限于 48 位虚拟地址。内核占据高地址部分，用户空间占据低地址部分，中间存在巨大的 non-canonical 空洞。

2.2.1 地址空间常量

2.2.2 内核空间内部细分

Linux 将 128 TB 的内核空间进一步划分为多个逻辑区域，每个区域有特定的用途：

• 直接映射区（Direct Mapping / 线性映射）：物理内存直接映射到内核虚拟地址空间，偏移量固定（PAGE_OFFSET）。例如，物理地址 0x1000 映射到虚拟地址 0xFFFF 8880 0000 1000。这是内核访问物理内存最常用的方式。
• vmalloc 区域：用于非连续内存分配，虚拟地址连续但物理地址不连续。起始地址为 VMALLOC_START。
• 模块区域：用于加载内核模块（.ko 文件），起始地址为 MODULES_VADDR。
• 固定映射区（Fixmap）：用于需要固定虚拟地址的场合，如早期 I/O 映射、APIC 访问。
• KASAN 影子内存：当启用 Kernel Address Sanitizer 时，用于检测内存错误。

2.3 ARM64 典型布局

ARM64 架构的虚拟地址空间布局与 x86_64 类似，但具有更大的灵活性。ARMv8-A 架构支持 4KB、16KB 或 64KB 页，以及 3 级或 4 级页表，这直接影响地址空间的大小和布局。

2.3.1 地址空间配置

2.3.2 ARM64 内核空间布局特点

ARM64 Linux 内核空间布局与 x86_64 有显著差异：

• 线性映射区（Linear Mapping）：物理内存直接映射，起始地址为 PAGE_OFFSET。在 ARM64 中，PAGE_OFFSET 通常为 0xFFFF 8000 0000 0000。
• 模块区域：位于内核空间末尾，起始地址为 MODULES_VADDR，通常紧邻内核映像。
• Fixmap 区域：用于固定映射，与 x86_64 类似。
• PCI I/O 区域：用于映射 PCI 设备的 I/O 空间。
• Vmemmap 区域：用于存储 struct page 的虚拟映射，是内存管理子系统的核心数据结构。

2.4 x86_64 与 ARM64 布局对比

2.5 布局对页表分配的影响

虚拟地址空间布局直接决定了页表的层级结构和分配策略：

• 用户空间页表：每个进程独立，由 fork() 时复制或写时复制（COW）创建。页表分配通常从 kmem_cache 或 memblock 分配。
• 内核空间页表：所有进程共享，由 init_mm 管理。内核页表在系统启动时由 paging_init() 建立，后续通过 vmalloc()、ioremap() 等接口动态扩展。
• 页表分配器：Linux 使用 pgd_alloc()、pud_alloc()、pmd_alloc()、pte_alloc() 等函数按需分配页表。这些函数内部调用 __get_free_page() 或 alloc_pages() 获取物理页框。