Linux的内核为什么一定要映射到所有的物理内存？
关于 Linux 内核为何要映射到所有物理内存这个问题，咱们得从几个关键点来掰扯清楚。这可不是什么凭空捏造的规定，而是有着非常扎实的底层逻辑和实际运行需求驱动的。
首先，得明白一个最核心的概念：内核就是整个操作系统的“大脑”。它负责管理硬件资源，调度进程，处理各种系统调用，保证程序能够正常运行。如果内核连自己在哪儿，怎么去控制硬件都不知道，那这个系统就完全运转不起来了。
那么，为什么是“映射到所有物理内存”呢？这背后有几层原因：
1. 内核需要一个统一的、可访问的地址空间来管理硬件。
想象一下，你的电脑有很多内存条，它们分散在主板的各个槽位里。CPU 要想读写这些内存，它需要知道每个内存区域在物理上的地址是多少。而操作系统呢，它需要一套统一的寻址机制，能够方便地管理这些物理内存。
内核正是扮演了这个“总管”的角色。它需要为所有的物理内存分配一个逻辑地址。这个逻辑地址，就是我们常说的虚拟地址空间的一部分。通过将所有物理内存映射到内核的虚拟地址空间，内核就可以用一套标准的方式来访问和管理这些内存，而不用关心它们具体在哪个物理位置。
举个例子，假设你的电脑有 8GB 物理内存。内核会把这 8GB 的物理内存，从物理地址 0x00000000 开始，一直到 0x1FFFFFFF（假设一个简单的地址空间），都映射到它自己的虚拟地址空间里。这样，内核就可以通过比如 `ioremap` 这样的函数，很方便地拿到一块物理内存的虚拟地址，然后就可以操作这块内存了。
2. 内核需要直接访问硬件设备，包括内存映射的 I/O 区域。
除了 RAM 本身，很多硬件设备，比如显卡、网卡、磁盘控制器等等，它们也有自己的寄存器和内存区域，这些区域也需要 CPU 直接访问。这些设备的 I/O 区域，也需要被映射到 CPU 的地址空间中，才能被内核直接读写。
内核需要一套完整的地址空间来容纳这些设备 I/O 区域的映射。如果内核只映射了一部分物理内存，那么当它需要访问那些不在映射范围内的设备时，就会遇到麻烦。把所有物理内存（包括那些被映射为 I/O 区域的）都包含在内核的映射范围内，保证了内核能够访问到它管理的所有硬件。
3. 简化内核的设计和实现。
如果你要设计一套内存管理系统，你希望它尽可能地简单和一致。让内核的代码能够直接访问所有它需要管理的内存，而不是每次访问前都要去查表或者进行复杂的地址转换，这会大大简化内核的代码。
内核的很多核心数据结构，比如进程控制块、页表、文件系统缓存等等，它们都驻留在内存中。内核需要高效地访问这些数据。如果内核的代码逻辑需要跨越“映射边界”，那会非常麻烦。把所有物理内存都映射到内核空间，就意味着内核可以自由地在它自己的地址空间里跳转和操作，而不用担心地址转换的问题。
4. 保护内核自身的安全和完整性。
虽然我们说内核映射到所有物理内存，但这并不意味着用户空间的程序可以直接访问内核的内存区域。这涉及到内存保护机制。
内核在自己的虚拟地址空间里，对不同区域的内存设置了不同的访问权限。通常情况下，用户空间的程序只能访问属于它自己的用户空间虚拟地址范围，而不能访问内核空间的地址。内核空间被标记为特权模式，只有在内核代码执行时才能访问。
这种映射方式，是建立在现代 CPU 的内存管理单元 (MMU) 之上的。MMU 负责将虚拟地址翻译成物理地址，并且在翻译过程中检查访问权限。内核通过设置页表来控制哪些虚拟地址可以被哪些进程访问，以及以什么权限访问。
所以，内核“映射”到所有物理内存，实际上是在它的虚拟地址空间中为所有的物理内存都建立了一个线性映射关系。这个映射关系是双向的：内核知道物理内存的地址是多少，并且可以在自己的虚拟地址空间里通过一个固定的偏移量（比如 `PAGE_OFFSET`）来访问它们。
举个更形象的比喻：
想象你是一个大公司的 CEO。公司有很多部门（物理内存），每个部门都有自己的办公室和文件。你想管理整个公司，你需要一个完整的公司组织架构图（内核的地址空间），里面列出了所有部门的地址和联系方式。
CEO（内核）需要能够随时随地指挥任何一个部门，查看任何一份文件。所以，CEO 需要一个总览全局的系统，这个系统把所有部门的地址（物理内存地址）都记录下来，并且提供一个统一的访问接口（内核虚拟地址）。这样，CEO 就可以通过这个系统，找到任何一个部门，给他们下达指令，或者获取他们的数据。
而其他员工（用户空间进程）呢，他们只能在自己负责的区域内活动，他们看不到 CEO 的办公室（内核空间），更不能随意进入其他部门捣乱。这就是通过权限控制实现的。
总结一下，Linux 内核映射到所有物理内存，不是因为内核“居住”在所有物理内存里，而是为了让内核能够：
统一管理和访问所有物理内存。
直接操作需要映射到内存的硬件设备。
简化内核的编程模型和数据结构设计。
通过页表和权限控制，保障内核自身的安全和隔离。
这个映射关系是内核能够高效、稳定地运行的基础。它提供了一个全局、一致的视角来审视和控制整个系统的物理资源。
首先，得明白一个最核心的概念：内核就是整个操作系统的“大脑”。它负责管理硬件资源，调度进程，处理各种系统调用，保证程序能够正常运行。如果内核连自己在哪儿，怎么去控制硬件都不知道，那这个系统就完全运转不起来了。
那么，为什么是“映射到所有物理内存”呢？这背后有几层原因：
1. 内核需要一个统一的、可访问的地址空间来管理硬件。
想象一下，你的电脑有很多内存条，它们分散在主板的各个槽位里。CPU 要想读写这些内存，它需要知道每个内存区域在物理上的地址是多少。而操作系统呢，它需要一套统一的寻址机制，能够方便地管理这些物理内存。
内核正是扮演了这个“总管”的角色。它需要为所有的物理内存分配一个逻辑地址。这个逻辑地址，就是我们常说的虚拟地址空间的一部分。通过将所有物理内存映射到内核的虚拟地址空间，内核就可以用一套标准的方式来访问和管理这些内存，而不用关心它们具体在哪个物理位置。
举个例子，假设你的电脑有 8GB 物理内存。内核会把这 8GB 的物理内存，从物理地址 0x00000000 开始，一直到 0x1FFFFFFF（假设一个简单的地址空间），都映射到它自己的虚拟地址空间里。这样，内核就可以通过比如 `ioremap` 这样的函数，很方便地拿到一块物理内存的虚拟地址，然后就可以操作这块内存了。
2. 内核需要直接访问硬件设备，包括内存映射的 I/O 区域。
除了 RAM 本身，很多硬件设备，比如显卡、网卡、磁盘控制器等等，它们也有自己的寄存器和内存区域，这些区域也需要 CPU 直接访问。这些设备的 I/O 区域，也需要被映射到 CPU 的地址空间中，才能被内核直接读写。
内核需要一套完整的地址空间来容纳这些设备 I/O 区域的映射。如果内核只映射了一部分物理内存，那么当它需要访问那些不在映射范围内的设备时，就会遇到麻烦。把所有物理内存（包括那些被映射为 I/O 区域的）都包含在内核的映射范围内，保证了内核能够访问到它管理的所有硬件。
3. 简化内核的设计和实现。
如果你要设计一套内存管理系统，你希望它尽可能地简单和一致。让内核的代码能够直接访问所有它需要管理的内存，而不是每次访问前都要去查表或者进行复杂的地址转换，这会大大简化内核的代码。
内核的很多核心数据结构，比如进程控制块、页表、文件系统缓存等等，它们都驻留在内存中。内核需要高效地访问这些数据。如果内核的代码逻辑需要跨越“映射边界”，那会非常麻烦。把所有物理内存都映射到内核空间，就意味着内核可以自由地在它自己的地址空间里跳转和操作，而不用担心地址转换的问题。
4. 保护内核自身的安全和完整性。
虽然我们说内核映射到所有物理内存，但这并不意味着用户空间的程序可以直接访问内核的内存区域。这涉及到内存保护机制。
内核在自己的虚拟地址空间里，对不同区域的内存设置了不同的访问权限。通常情况下，用户空间的程序只能访问属于它自己的用户空间虚拟地址范围，而不能访问内核空间的地址。内核空间被标记为特权模式，只有在内核代码执行时才能访问。
这种映射方式，是建立在现代 CPU 的内存管理单元 (MMU) 之上的。MMU 负责将虚拟地址翻译成物理地址，并且在翻译过程中检查访问权限。内核通过设置页表来控制哪些虚拟地址可以被哪些进程访问，以及以什么权限访问。
所以，内核“映射”到所有物理内存，实际上是在它的虚拟地址空间中为所有的物理内存都建立了一个线性映射关系。这个映射关系是双向的：内核知道物理内存的地址是多少，并且可以在自己的虚拟地址空间里通过一个固定的偏移量（比如 `PAGE_OFFSET`）来访问它们。
举个更形象的比喻：
想象你是一个大公司的 CEO。公司有很多部门（物理内存），每个部门都有自己的办公室和文件。你想管理整个公司，你需要一个完整的公司组织架构图（内核的地址空间），里面列出了所有部门的地址和联系方式。
CEO（内核）需要能够随时随地指挥任何一个部门，查看任何一份文件。所以，CEO 需要一个总览全局的系统，这个系统把所有部门的地址（物理内存地址）都记录下来，并且提供一个统一的访问接口（内核虚拟地址）。这样，CEO 就可以通过这个系统，找到任何一个部门，给他们下达指令，或者获取他们的数据。
而其他员工（用户空间进程）呢，他们只能在自己负责的区域内活动，他们看不到 CEO 的办公室（内核空间），更不能随意进入其他部门捣乱。这就是通过权限控制实现的。
总结一下，Linux 内核映射到所有物理内存，不是因为内核“居住”在所有物理内存里，而是为了让内核能够：
统一管理和访问所有物理内存。
直接操作需要映射到内存的硬件设备。
简化内核的编程模型和数据结构设计。
通过页表和权限控制，保障内核自身的安全和隔离。
这个映射关系是内核能够高效、稳定地运行的基础。它提供了一个全局、一致的视角来审视和控制整个系统的物理资源。
网友意见
具体没研究过Linux的行为，但其实所有操作系统的行为都差不多，先映射一大块物理内存（建立页表），这个大小远远大于内核需要的内存，然后内核起来以后再做进一步拆分。
原因概括一下就是方便管理。
对于操作系统来说，内存的页管理（Page Management）和内存池管理（主要是堆，Heap）是分开的，内核映射足够多的页，但并不一定都交给内存池直接使用，可能是给cache，给shm设备等。
页管理是多多益善，最好是把所有内存都占满，但这些内存页仍然可以交给用户使用的，因为一个物理地址可以映射给多个虚拟地址。只要这些页没有分配给指定的内存池，就仍然可以被用户使用，甚至同时被用户空间和内核空间使用（比如为了零拷贝）。
内核先占用了足够多的内存，这样就不用再做二次页分配的动作了，能保证内核的流畅性。如果内核一开始只占用比较小的内存区域，那么每次加载新的模块，就需要扩展这个内存区域，效率低不说，还可能有内存碎片的风险。
对于用户程序来说，因为用户程序一开始都是在磁盘上的，需要一点点的加载到内存上，甚至可以边运行边加载，所以没必要一下映射足够多的内存，因为可能在整个用户程序的生命周期了，某些内存一直都用不上，完全分配太浪费了。
对于某些大型程序来说，任何操作系统都推荐一次性的从页管理器里直接申请足够多的内存，而不是使用编译器库函数或者操作系统提供内存池API去访问，因为后者的效率比较低，并不适用于某些特定的场景。
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