在 Linux中，用戶(hù)內存和內核內存是獨立的，在各自的地址空間實(shí)現。地址空間是虛擬的，就是說(shuō)地址是從物理內存中抽象出來(lái)的（通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)短描述的過(guò)程）。由于地址空間是虛擬的，所以可以存在很多。事實(shí)上，內核本身駐留在一個(gè)地址空間中，每個(gè)進(jìn)程駐留在自己的地址空間。這些地址空間由虛擬內存地址組成，允許一些帶有獨立地址空間的進(jìn)程指向一個(gè)相對較小的物理地址空間（在機器的物理內存中）。不僅僅是方便，而且更安全。因為每個(gè)地址空間是獨立且隔離的，因此很安全。
但是與安全性相關(guān)聯(lián)的成本很高。因為每個(gè)進(jìn)程（和內核）會(huì )有相同地址指向不同的物理內存區域，不可能立即共享內存。幸運的是，有一些解決方案。用戶(hù)進(jìn)程可以通過(guò) Portable Operating System Interface for UNIX® (POSIX)共享的內存機制（shmem）共享內存，但有一點(diǎn)要說(shuō)明，每個(gè)進(jìn)程可能有一個(gè)指向相同物理內存區域的不同虛擬地址。
虛擬內存到物理內存的映射通過(guò)頁(yè)表完成，這是在底層軟件中實(shí)現的（見(jiàn)圖1）。硬件本身提供映射，但是內核管理表及其配置。注意這里的顯示，進(jìn)程可能有一個(gè)大的地址空間，但是很少見(jiàn)，就是說(shuō)小的地址空間的區域（頁(yè)面）通過(guò)頁(yè)表指向物理內存。這允許進(jìn)程僅為隨時(shí)需要的網(wǎng)頁(yè)指定大的地址空間。
由于缺乏為進(jìn)程定義內存的能力，底層物理內存被過(guò)度使用。通過(guò)一個(gè)稱(chēng)為 paging（然而，在 Linux 中通常稱(chēng)為 swap）的進(jìn)程，很少使用的頁(yè)面將自動(dòng)移到一個(gè)速度較慢的存儲設備（比如磁盤(pán)），來(lái)容納需要被訪(fǎng)問(wèn)的其它頁(yè)面（見(jiàn)圖 2）。這一行為允許，在將很少使用的頁(yè)面遷移到磁盤(pán)來(lái)提高物理內存使用的同時(shí)，計算機中的物理內存為應用程序更容易需要的頁(yè)面提供服務(wù)。注意，一些頁(yè)面可以指向文件，在這種情況下，如果頁(yè)面是臟（dirty）的，數據將被沖洗，如果頁(yè)面是干凈的（clean），直接丟掉。
不是所有的處理器都有 MMU。因此，uClinux 發(fā)行版（微控制器 Linux）支持操作的一個(gè)地址空間。該架構缺乏 MMU 提供的保護，但是允許 Linux 運行另一類(lèi)處理器。關(guān)于 uClinux 的詳細信息見(jiàn) 參考資料。
選擇一個(gè)頁(yè)面來(lái)交換存儲的過(guò)程被稱(chēng)為一個(gè)頁(yè)面置換算法，可以通過(guò)使用許多算法（至少是最近使用的）來(lái)實(shí)現。該進(jìn)程在請求存儲位置時(shí)發(fā)生，存儲位置的頁(yè)面不在存儲器中（在存儲器管理單元 [MMU] 中無(wú)映射）。這個(gè)事件被稱(chēng)為一個(gè)頁(yè)面錯誤 并被硬件（MMU）刪除，出現頁(yè)面錯誤中斷后該事件由防火墻管理。該棧的詳細說(shuō)明見(jiàn) 圖 3。
Linux 提供一個(gè)有趣的交換實(shí)現，該實(shí)現提供許多有用的特性。Linux交換系統允許創(chuàng )建和使用多個(gè)交換分區和優(yōu)先權，這支持存儲設備上的交換層次結構，這些存儲設備提供不同的性能參數（例如，固態(tài)磁盤(pán) [SSD]上的一級交換和速度較慢的存儲設備上的較大的二級交換）。為 SSD交換附加一個(gè)更高的優(yōu)先級使其可以使用直至耗盡；直到那時(shí)，頁(yè)面才能被寫(xiě)入優(yōu)先級較低的交換分區。
并不是所有的頁(yè)面都適合交換?？紤]到響應中斷的內核代碼或者管理頁(yè)表和交換邏輯的代碼，顯然，這些頁(yè)面決不能被換出，因此它們是固定的，或者是永久地駐留在內存中。盡管內核頁(yè)面不需要進(jìn)行交換，然而用戶(hù)頁(yè)面需要，但是它們可以被固定，通過(guò) mlock（或 mlockall）函數來(lái)鎖定頁(yè)面。這就是用戶(hù)空間內存訪(fǎng)問(wèn)函數的目的。如果內核假設一個(gè)用戶(hù)傳遞的地址是有效的且是可訪(fǎng)問(wèn)的，最終可能會(huì )出現內核嚴重錯誤（kernelpanic）（例如，因為用戶(hù)頁(yè)面被換出，而導致內核中的頁(yè)面錯誤）。該應用程序編程接口（API）確保這些邊界情況被妥善處理。
現在，讓我們來(lái)研究一下用戶(hù)操作用戶(hù)內存的內核 API。請注意，這涉及內核和用戶(hù)空間接口，而下一部分將研究其他的一些內存 API。用戶(hù)空間內存訪(fǎng)問(wèn)函數在表 1 中列出。
| 函數 | 描述 |
|---|---|
access_ok | 檢查用戶(hù)空間內存指針的有效性 |
get_user | 從用戶(hù)空間獲取一個(gè)簡(jiǎn)單變量 |
put_user | 輸入一個(gè)簡(jiǎn)單變量到用戶(hù)空間 |
clear_user | 清除用戶(hù)空間中的一個(gè)塊，或者將其歸零。 |
copy_to_user | 將一個(gè)數據塊從內核復制到用戶(hù)空間 |
copy_from_user | 將一個(gè)數據塊從用戶(hù)空間復制到內核 |
strnlen_user | 獲取內存空間中字符串緩沖區的大小 |
strncpy_from_user | 從用戶(hù)空間復制一個(gè)字符串到內核 |
正如您所期望的，這些函數的實(shí)現架構是獨立的。例如在 x86 架構中，您可以使用./linux/arch/x86/lib/usercopy_32.c 和 usercopy_64.c 中的源代碼找到這些函數以及在./linux/arch/x86/include/asm/uaccess.h 中定義的字符串。
當數據移動(dòng)函數的規則涉及到復制調用的類(lèi)型時(shí)（簡(jiǎn)單 VS. 聚集），這些函數的作用如圖 4 所示。
您可以使用 access_ok 函數在您想要訪(fǎng)問(wèn)的用戶(hù)空間檢查指針的有效性。調用函數提供指向數據塊的開(kāi)始的指針、塊大小和訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)型（無(wú)論這個(gè)區域是用來(lái)讀還是寫(xiě)的）。函數原型定義如下：
access_ok( type, addr, size ); |
type 參數可以被指定為 VERIFY_READ 或 VERIFY_WRITE。VERIFY_WRITE 也可以識別內存區域是否可讀以及可寫(xiě)（盡管訪(fǎng)問(wèn)仍然會(huì )生成 -EFAULT）。該函數簡(jiǎn)單檢查地址可能是在用戶(hù)空間，而不是內核。
要從用戶(hù)空間讀取一個(gè)簡(jiǎn)單變量，可以使用 get_user函數，該函數適用于簡(jiǎn)單數據類(lèi)型，比如，char 和 int，但是像結構體這類(lèi)較大的數據類(lèi)型，必須使用 copy_from_user 函數。該原型接受一個(gè)變量（存儲數據）和一個(gè)用戶(hù)空間地址來(lái)進(jìn)行 Read 操作：
get_user( x, ptr ); |
get_user 函數將映射到兩個(gè)內部函數其中的一個(gè)。在系統內部，這個(gè)函數決定被訪(fǎng)問(wèn)變量的大?。ǜ鶕峁┑淖兞看鎯Y果）并通過(guò) __get_user_x 形成一個(gè)內部調用。成功時(shí)該函數返回 0，一般情況下，get_user和 put_user 函數比它們的塊復制副本要快一些，如果是小類(lèi)型被移動(dòng)的話(huà)，應該用它們。
您可以使用 put_user 函數來(lái)將一個(gè)簡(jiǎn)單變量從內核寫(xiě)入用戶(hù)空間。和 get_user 一樣，它接受一個(gè)變量（包含要寫(xiě)的值）和一個(gè)用戶(hù)空間地址作為寫(xiě)目標：
put_user( x, ptr ); |
和 get_user 一樣，put_user 函數被內部映射到 put_user_x 函數，成功時(shí)，返回 0，出現錯誤時(shí)，返回 -EFAULT。
clear_user 函數被用于將用戶(hù)空間的內存塊清零。該函數采用一個(gè)指針（用戶(hù)空間中）和一個(gè)型號進(jìn)行清零，這是以字節定義的：
clear_user( ptr, n ); |
在內部，clear_user 函數首先檢查用戶(hù)空間指針是否可寫(xiě)（通過(guò) access_ok），然后調用內部函數（通過(guò)內聯(lián)組裝方式編碼）來(lái)執行 Clear 操作。使用帶有 repeat 前綴的字符串指令將該函數優(yōu)化成一個(gè)非常緊密的循環(huán)。它將返回不可清除的字節數，如果操作成功，則返回 0。
copy_to_user 函數將數據塊從內核復制到用戶(hù)空間。該函數接受一個(gè)指向用戶(hù)空間緩沖區的指針、一個(gè)指向內存緩沖區的指針、以及一個(gè)以字節定義的長(cháng)度。該函數在成功時(shí)，返回 0，否則返回一個(gè)非零數，指出不能發(fā)送的字節數。
copy_to_user( to, from, n ); |
檢查了向用戶(hù)緩沖區寫(xiě)入的功能之后（通過(guò) access_ok），內部函數 __copy_to_user 被調用，它反過(guò)來(lái)調用 __copy_from_user_inatomic（在 ./linux/arch/x86/include/asm/uaccess_XX.h 中。其中 XX 是 32 或者 64 ，具體取決于架構。）在確定了是否執行 1、2 或 4 字節復制之后，該函數調用 __copy_to_user_ll，這就是實(shí)際工作進(jìn)行的地方。在損壞的硬件中（在 i486 之前，WP 位在管理模式下不可用），頁(yè)表可以隨時(shí)替換，需要將想要的頁(yè)面固定到內存，使它們在處理時(shí)不被換出。i486 之后，該過(guò)程只不過(guò)是一個(gè)優(yōu)化的副本。
copy_from_user 函數將數據塊從用戶(hù)空間復制到內核緩沖區。它接受一個(gè)目的緩沖區（在內核空間）、一個(gè)源緩沖區（從用戶(hù)空間）和一個(gè)以字節定義的長(cháng)度。和 copy_to_user 一樣，該函數在成功時(shí)，返回 0 ，否則返回一個(gè)非零數，指出不能復制的字節數。
copy_from_user( to, from, n ); |
該函數首先檢查從用戶(hù)空間源緩沖區讀取的能力（通過(guò) access_ok），然后調用 __copy_from_user，最后調用 __copy_from_user_ll。從此開(kāi)始，根據構架，為執行從用戶(hù)緩沖區到內核緩沖區的零拷貝（不可用字節）而進(jìn)行一個(gè)調用。優(yōu)化組裝函數包含管理功能。
strnlen_user 函數也能像 strnlen 那樣使用，但前提是緩沖區在用戶(hù)空間可用。strnlen_user 函數帶有兩個(gè)參數：用戶(hù)空間緩沖區地址和要檢查的最大長(cháng)度。
strnlen_user( src, n ); |
strnlen_user 函數首先通過(guò)調用 access_ok 檢查用戶(hù)緩沖區是否可讀。如果是 strlen 函數被調用，max length 參數則被忽略。
strncpy_from_user 函數將一個(gè)字符串從用戶(hù)空間復制到一個(gè)內核緩沖區，給定一個(gè)用戶(hù)空間源地址和最大長(cháng)度。
strncpy_from_user( dest, src, n ); |
由于從用戶(hù)空間復制，該函數首先使用 access_ok 檢查緩沖區是否可讀。和 copy_from_user 一樣，該函數作為一個(gè)優(yōu)化組裝函數（在 ./linux/arch/x86/lib/usercopy_XX.c 中）實(shí)現。
上面部分探討了在內核和用戶(hù)空間之間移動(dòng)數據的方法（使用內核初始化操作）。Linux 還提供一些其他的方法，用于在內核和用戶(hù)空間中移動(dòng)數據。盡管這些方法未必能夠提供與用戶(hù)空間內存訪(fǎng)問(wèn)函數相同的功能，但是它們在地址空間之間映射內存的功能是相似的。
在用戶(hù)空間，注意，由于用戶(hù)進(jìn)程出現在單獨的地址空間，在它們之間移動(dòng)數據必須經(jīng)過(guò)某種進(jìn)程間通信機制。Linux 提供各種模式（比如，消息隊列），但是最著(zhù)名的是 POSIX 共享內存（shmem）。該機制允許進(jìn)程創(chuàng )建一個(gè)內存區域，然后同一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程共享該區域。注意，每個(gè)進(jìn)程可能在其各自的地址空間中映射共享內存區域到不同地址。因此需要相對的尋址偏移（offset addressing）。
mmap 函數允許一個(gè)用戶(hù)空間應用程序在虛擬地址空間中創(chuàng )建一個(gè)映射，該功能在某個(gè)設備驅動(dòng)程序類(lèi)中是常見(jiàn)的，允許將物理設備內存映射到進(jìn)程的虛擬地址空間。在一個(gè)驅動(dòng)程序中，mmap 函數通過(guò) remap_pfn_range 內核函數實(shí)現，它提供設備內存到用戶(hù)地址空間的線(xiàn)性映射。
本文討論了 Linux 中的內存管理主題，然后討論了使用這些概念的用戶(hù)空間內存訪(fǎng)問(wèn)函數。在用戶(hù)空間和內核空間之間移動(dòng)數據并沒(méi)有表面上看起來(lái)那么簡(jiǎn)單，但是 Linux 包含一個(gè)簡(jiǎn)單的 API 集合，跨平臺為您管理這個(gè)復雜的任務(wù)。
學(xué)習
mlock() 和 mlockall() 系統調用可以實(shí)現將一個(gè)進(jìn)程的部分虛擬空間鎖進(jìn)內存。 獲得產(chǎn)品和技術(shù)
討論
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