普通x86架构下的Linux内存布局大家应该都很清楚了. 物理内存分为ZONE_DMA, ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM三个区, 虚拟内存则一般是0-3G为用户空间, 3G-(4G-1)为内核空间. 那么, x86-64架构下呢?

有多大

首先, 目前大部分的操作系统和应用程序并不需要16EB( 2^64 )如此巨大的地址空间, 实现64位长的地址只会增加系统的复杂度和地址转换的成本, 带不来任何好处. 所以目前的x86-64架构CPU都遵循AMD的Canonical form, 即只有虚拟地址的最低48位才会在地址转换时被使用, 且任何虚拟地址的48位至63位必须与47位一致(sign extension). 也就是说, 总的虚拟地址空间为256TB( 2^48 ).

如何布局

然后, 在这256TB的虚拟内存空间中, 0000000000000000 - 00007fffffffffff(128TB)为用户空间, ffff800000000000 - ffffffffffffffff(128TB)为内核空间. 这里需要注意的是, 内核空间中有很多空洞, 越过第一个空洞后, ffff880000000000 - ffffc7ffffffffff(64TB)才是直接映射物理内存的区域, 也就是说默认的PAGE_OFFSET为ffff880000000000. 从这里我们也可以看出, 这么大的直接映射区域足够映射所有的物理内存, 所以目前x86-64架构下是不存在高端内存, 也就是ZONE_HIGHMEM这个区域的(参考这篇).

如何映射

64位寻址模式是PAE的扩展. 页大小支持PAE所支持的4K和2M, 以及独有的1G. 页表分为4级, 不但扩展了PAE的Page-Directory Pointer Table, 还添加了一个Page-Map Level 4(PML4)映射表. 巧妙之处在于, 这个表不但可以通过扩展来支持以后的完整64位地址空间, 也兼容很有可能出现的第5级页表.

ref:

1, https://en.wikipedia.org/wiki/X86-64
2, https://en.wikipedia.org/wiki/Physical_Address_Extension
3, http://lxr.linux.no/#linux+v3.4/Documentation/x86/x86_64/mm.txt