文章大部分表述圖片來自 ： https://www.jeanleo.com/2021/07/06/linux內存管理剖析/ 。 非原創
內存是如何給讀取的
計算機上電啓動的時候，BIOS會檢測並計算物理內存大小。比方說現在通用的內存都是DIMM針腳插槽類型的，它的PIN針腳有兩百多個，各個針腳各有自己的定義，BIOS就是通過對不同針腳的高低電平設置，由內存反饋其規格信息給BIOS，然後BIOS計算出容量。大概原理就這樣了。但是我們重點是操作系統需要感知主機的內存空間，它是怎麼知道的呢？它是通過BIOS提供的接口去詢問出來的。這個接口就是0x15中斷，其中參數重點參數是ax寄存器中需要設置值e820。然後通過intcall(0x15, &ireg, &oreg)中斷調用，由BIOS通過oreg.di出參將內存信息返回回來。該實現在/arch/x86/boot/memory.c中的detect_memory，由於代碼出參oreg.di也是ireg.di傳進去的值，所以代碼裏面直接讀了buf空間內存。由於每調用一次intcall只會返回一條內存數據信息，所以會循環調用多次才能夠探明整個內存空間。
也就是說 操作系統 --> BIOS中斷 中斷來感知內存空間的，這個0x15是一箇中斷號 ，定義在中斷表述表，而這個中斷表又是從哪裏來的呢？我們在上篇文章 裏寫道加載 BIOS 的環節會加載中斷表。
計算機剛開機的時候只有1M的內存可以使用。 此時內存會被各種外設瓜分,映射在內存的相應區域。同理,BIOS裏的信息會被映射到內存的一段連續的區域中(0xC0000–0xFFFFF),其中最爲關鍵的系統BIOS被映射到了0xF0000–0xFFFFF位置,CPU開機就是執行了系統BIOS這塊內存區域中的代碼,注意BIOS中的程序還會佔用內存開頭的一些區域,如把中斷向量表寫在了內存開始的位置。
在開機的一瞬間,CPU中的PC寄存器被強制初始化爲0xFFFF0。BIOS程序的入口地址就是0xFFFF0,然後CPU就開始跑起來,執行BIOS中的程序。
中斷0x15有三個子功能，子功能號放到EAX或者AX中，其簡要說明：
- EAX = 0xE820 遍歷所有內存
- AX = 0xE801 分別檢測低 15 MB 和 16 MB ~ 4 GB的內存，最大支持 4 GB。
- AX = 0x88 最簡單的子功能，只能檢測64MB的內存，若超過也只返回 64 MB。
具體的子功能講解見這篇文章
內存由誰來讀取
內存探測必然是kernel嗎？答案是否定的。先說一下kernel的binary文件吧，它通常放在/boot/下面，名字通常命名爲vmlinuz。這個文件是由setup.bin和vmlinux構造而成，其中vmlinux又由kernel編譯目錄arch/x86/boot/compressed下的cmdline.o、head.o、kaslr.o等連同壓縮後的vmlinux.bin.gz合併構成。其中檢測內存的detect_memory()函數就是在setup.bin裏面，但是這僅限於Grub legacy（即Grup 0.97到1.97版本）引導kernel的時候，setup.bin纔會被執行到，也就是僅在該情況下內存探測纔是由kernel引導的領頭羊去完成的。
到了Grub2（即Grub 1.98到現在最新版本）引導linux系統的時候，則由Grub直接探明內存佈局，然後解析vmlinuz文件，並且直接加載vmlinux部分的內容到內存中並跳轉執行head_32函數，而內存佈局則通過參數boot_params傳遞執行。
誰探明內存佈局對內存管理有影響嗎？沒影響的，所以這裏是可以忽略的廢話。既然廢話就多說兩句，爲什麼要分開setup.bin和vmlinux呢？這是因爲setup.bin運行在實模式下面，而vmlinux則運行在保護模式下面。所以也就是說grub2是進入了保護模式後才加載引導的kernel。
我們從上面的描述中知道了，內存讀取這個動作發起人，不一定是內核，以現在GRUB作爲操作系統引導程序來說，內存讀取這個動作是由GRUB來發起觸發BISO中斷，進行內存探測的，這其中講到實模式和保護模式，我們後續會講到 。
內存讀取以後
管理-探知的e820表如何處理？是如何被管理的
前面已經知道了如何探明內存空間得到e820圖，得知了內存的位置、大小和類型。在e820__memory_setup()函數內會將重疊的內存空間根據屬性進行篩選，並將同屬性的相鄰內存空間進行合併處理。整個處理過程如右側所示，雖然實現上會對內存進行分割合併處理，但是實際上內存並不會這麼錯亂重疊的。處理完畢後，會通過e820__print_table()對外打印。通過dmesg可以看到如圖左側所示的信息。
那麼是如何分割和合並的呢？ 可以看到重疊的部分就會合並，而分散的部分則是合併 ，
使用-內存（指被 Memblock 管理的內存）劃分分配
內存是連續的嗎？
物理內存是連續的，但是細心的話，可以發現e820提供的數據中並不連續，中間0xA0000到0xFFFFF的內存並未在其中。這是歷史原因遺留下來的，它並非不存在，而是被BIOS保留下來用作顯卡顯存的映射以及BIOS自留給ROM使用的空間。所以呈現出來有一個空洞位置。
對此我們可以通過/proc/iomem查看到這些物理內存被如何劃分分配。iomem主要呈現系統中設備的物理佈局，包括未被e820所呈現的，它甚至能夠將kernel在物理內存的加載位置呈現出來。
我們這裏就可以知道 dmesg 命令看到的是計算機開始探測到的內存空間 ，而 cat /proc/iomem 則是BIOS虛擬地址在物理內存上的一個映射可以看見貌似只使用了 1MB 的空間 ，關於着 1MB 的相關知識點見 A20 。
那麼 Memblock 上的內存 又是如何被分配出去的呢 ？ Memblock 內存維護着兩個 struct :
-
memory : 指向系統可用物理內存區
-
reserved : 指向系統預留區 （就是給分配出去了）
memblock管理表由命名爲memblock的全局數據結構變量管理，它主要通過可用內存memory和保留內存reserved兩個成員結構體變量區分管理。 例如可用內存全部都掛入到memblock.memory.regions下，該可用內存同時又以全局變量數組memblock_memory_init_regions而命名，該數組成員主要記錄內存的基址、大小和類型，如圖顯示的是該算法的管理結構關係。類似的被保留的內存則在memblock_reserved_init_regions全局數組結構下管理。 於此階段，我們可以通過memblock_alloc()和memblock_free()對內存進行申請釋放，而分配的方式很簡單，根據需要分配的size到可用的內存空間memblock_memory_init_regions中去查找連續的等大小空間，然後將其分割開來，將分配出去的掛入到memblock_reserved_init_regions管理區中，而剩餘的則放回到memblock_memory_init_regions。尤其是如果我們需要申請永久保留的內存可在此申請，即後續內存管理將不會對此內存進行分配回收管理。 memblock內存管理只是一個過渡形態，不會長期存在，畢竟如此任意分割內存的分配方式長久運行後會導致嚴重的碎片化。因此後面將會建立內存映射，構造內存管理框架。
來自參考資料中的描述我們知道此階段的內存分配非常簡單，就是在兩個數組裏任意分配，有可能會造成內存碎片化， 但是此時分配的內存是給什麼的呢？上面分配的內存就是給上圖用的。
具體相關的底層邏輯見 ：
查看讀取出來的內存夠空間
Linux dmesg 命令, kernel 會將開機信息存儲在 ring buffer 中。您若是開機時來不及查看信息，可利用 dmesg 來查看。開機信息亦保存在 /var/log 目錄中，名稱爲 dmesg 的文件裏。
命令 :
dmesg | less
查看虛擬地的映射的分佈
cat /proc/iomem
虛擬地址映射的內容
其他
中斷
關於“中斷”，參考資料中有篇文章有詳細介紹到。
中斷，英文名爲Interrupt，計算機的世界裏處處都有中斷，任何工作都離不開中斷，可以說整個計算機系統就是由中斷來驅動的。那麼什麼是中斷？簡單來說就是CPU停下當前的工作任務，去處理其他事情，處理完後回來繼續執行剛纔的任務，這一過程便是中斷。
兩張圖可以知道中斷的類型
總結
這一節主要是講介紹物理內存空間是如何被讀取出來的，然後讀取出來以後又是如何被管理和分配的，其中涉及到 BIOS 的相關知識點，比如 BIOS 中斷調用，還有包括memblock 這個結構去管理內存的，在 使用-內存（指被 Memblock 管理的內存）劃分分配 章節我們也知道了BIOS 在 memblock 上申請了 1MB 的空間來映射一些內容，包括 BIOS 映射區， DOS 暫存區等 。
最後我們還介紹了兩個查看內存相關的方式 ，一個是查看物理空間被讀取出來後的內存全貌，一個是虛擬地址上的內存分佈， 各個位置放着什麼東西 。
參考資料
- linux內存管理剖析
- 一文講透計算機的“中斷”
- 操作系統之GDT和IDT（三）
- 7月16日-淺析Linux內存管理-史登軒.pdf
- BIOS 中斷的知識