内核镜像与直接映射为何在物理地址空间存在重叠

先贴对应的内核地址转换实现代码：

unsigned long __phys_addr(unsigned long x)
{
    unsigned long y = x - __START_KERNEL_map;

    /* use the carry flag to determine if x was < __START_KERNEL_map */
    if (unlikely(x > y)) {
        x = y + phys_base;

        VIRTUAL_BUG_ON(y >= KERNEL_IMAGE_SIZE);
    } else {
        x = y + (__START_KERNEL_map - PAGE_OFFSET);

        /* carry flag will be set if starting x was >= PAGE_OFFSET */
        VIRTUAL_BUG_ON((x > y) || !phys_addr_valid(x));
    }
}

这段逻辑覆盖了x86_64架构下内核空间两个独立的虚拟地址映射区间，两者映射到同一段内核镜像所在物理内存的设计完全是有意为之，根本不是映射错误：

• 第一个分支处理__START_KERNEL_map起始的内核镜像固定映射区：这个区间的虚拟地址在编译内核时就写死到了内核镜像的符号表中，启动时只需要把这个区间和内核实际加载的物理基地址phys_base做固定偏移映射即可。哪怕开启KASLR让内核加载的物理地址随机化，也只需要更新phys_base值就能完成整个内核镜像的地址修正，不需要逐个修改内核符号的重定位表，启动早期页表还没完全初始化的时候，靠这段映射就能跑通最核心的启动流程。代码里的VIRTUAL_BUG_ON(y >= KERNEL_IMAGE_SIZE)就是在做边界校验，保证这个区间的虚拟地址不会超出内核镜像的预留大小范围。
• 第二个分支处理PAGE_OFFSET起始的全物理内存线性直接映射区：这个区间会把系统所有可用物理内存按固定偏移做一一映射，常规物理页分配、kmalloc申请的内核内存、DMA缓冲区都靠这个区间访问，默认用大页映射，访问开销极低，内存管理子系统可以靠固定偏移快速完成虚拟/物理地址转换，不需要逐页查页表。

两个区间重叠映射内核镜像所在物理内存的设计，核心是兼顾两个核心需求：

一是保证内核镜像本身的地址不随物理加载位置变化，减少启动阶段的重定位开销，同时可以给内核镜像的不同段（代码段、只读数据段、可写数据段）单独设置严格的页表权限，比如代码段设为可执行只读、只读数据段设为不可执行只读，阻断内核代码篡改类的攻击。
二是保证线性直接映射区可以覆盖100%的物理内存，不需要给内核镜像占用的物理页单独写特殊的地址转换逻辑，内存管理、DMA、内存热插拔等功能都可以用统一的线性映射规则处理所有物理页，大幅降低代码复杂度。

需要注意的是，虽然同一段物理内存有两个虚拟地址映射，但两个映射的页表权限完全不同，内核正常运行时不会出现地址访问冲突。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者choxsword