在 Linux 中，用户内存和内核内存是独立的，在各自的地址空间实现。地址空间是虚拟的，就是说地址是从物理内存中抽象出来的（通过一个简短描述的过程）。由于地址空 间是虚拟的，所以可以存在很多。事实上，内核本身驻留在一个地址空间中，每个进程驻留在自己的地址空间。这些地址空间由虚拟内存地址组成，允许一些带有独 立地址空间的进程指向一个相对较小的物理地址空间（在机器的物理内存中）。不仅仅是方便，而且更安全。因为每个地址空间是独立且隔离的，因此很安全。
但是与安全性相关联的成本很高。因为每个进程（和内核）会有相同地址指向不同的物理内存区域，不可能立即共享内存。幸运的是，有一些解决方案。 用户进程可以通过 Portable Operating System Interface for UNIX? (POSIX) 共享的内存机制（shmem）共享内存，但有一点要说明，每个进程可能有一个指向相同物理内存区域的不同虚拟地址。
虚拟内存到物理内存的映射通过页表完成，这是在底层软件中实现的（见图 1）。硬件本身提供映射，但是内核管理表及其配置。注意这里的显示，进程可能有一个大的地址空间，但是很少见，就是说小的地址空间的区域（页面）通过页表 指向物理内存。这允许进程仅为随时需要的网页指定大的地址空间。
图 1. 页表提供从虚拟地址到物理地址的映射
由于缺乏为进程定义内存的能力，底层物理内存被过度使用。通过一个称为 paging（然而，在 Linux 中通常称为 swap）的进程，很少使用的页面将自动移到一个速度较慢的存储设备（比如磁盘），来容纳需要被访问的其它页面（见图 2 ）。这一行为允许，在将很少使用的页面迁移到磁盘来提高物理内存使用的同时，计算机中的物理内存为应用程序更容易需要的页面提供服务。注意，一些页面可以 指向文件，在这种情况下，如果页面是脏（dirty）的，数据将被冲洗，如果页面是干净的（clean），直接丢掉。
图 2. 通过将很少使用的页面迁移到速度慢且便宜的存储器，交换使物理内存空间得到了更好的利用
MMU-less 架构
不是所有的处理器都有 MMU。因此，uClinux 发行版（微控制器 Linux）支持操作的一个地址空间。该架构缺乏 MMU 提供的保护，但是允许 Linux 运行另一类处理器。
选择一个页面来交换存储的过程被称为一个页面置换算法，可以通过使用许多算法（至少是最近使用的）来实现。该进程在请求存储位置时发生，存储位 置的页面不在存储器中（在存储器管理单元 [MMU] 中无映射）。这个事件被称为一个页面错误 并被硬件（MMU）删除，出现页面错误中断后该事件由防火墙管理。该栈的详细说明见 图 3。
Linux 提供一个有趣的交换实现，该实现提供许多有用的特性。Linux 交换系统允许创建和使用多个交换分区和优先权，这支持存储设备上的交换层次结构，这些存储设备提供不同的性能参数（例如，固态磁盘 [SSD] 上的一级交换和速度较慢的存储设备上的较大的二级交换）。为 SSD 交换附加一个更高的优先级使其可以使用直至耗尽；直到那时，页面才能被写入优先级较低的交换分区。
图 3. 地址空间和虚拟 - 物理地址映射的元素
并不是所有的页面都适合交换。考虑到响应中断的内核代码或者管理页表和交换逻辑的代码，显然，这些页面决不能被换出，因此它们是固定的，或者是 永久地驻留在内存中。尽管内核页面不需要进行交换，然而用户页面需要，但是它们可以被固定，通过 mlock（或 mlockall）函数来锁定页面。这就是用户空间内存访问函数的目的。如果内核假设一个用户传递的地址是有效的且是可访问的，最终可能会出现内核严重错 误（kernel panic）（例如，因为用户页面被换出，而导致内核中的页面错误）。该应用程序编程接口（API）确保这些边界情况被妥善处理。
内核 API
现在，让我们来研究一下用户操作用户内存的内核 API。请注意，这涉及内核和用户空间接口，而下一部分将研究其他的一些内存 API。用户空间内存访问函数在表 1 中列出。
表 1. 用户空间内存访问 API
| 函数 | 描述 |
| access_ok | 检查用户空间内存指针的有效性 |
| get_user | 从用户空间获取一个简单变量 |
| put_user | 输入一个简单变量到用户空间 |
| clear_user | 清除用户空间中的一个块，或者将其归零。 |
| copy_to_user | 将一个数据块从内核复制到用户空间 |
| copy_from_user | 将一个数据块从用户空间复制到内核 |
| strnlen_user | 获取内存空间中字符串缓冲区的大小 |
| strncpy_from_user | 从用户空间复制一个字符串到内核 |
正如您所期望的，这些函数的实现架构是独立的。例如在 x86 架构中，您可以使用 ./linux/arch/x86/lib/usercopy_32.c 和 usercopy_64.c 中的源代码找到这些函数以及在 ./linux/arch/x86/include/asm/uaccess.h 中定义的字符串。
当数据移动函数的规则涉及到复制调用的类型时（简单 VS. 聚集），这些函数的作用如图 4 所示。
图 4. 使用 User Space Memory Access API 进行数据移动
access_ok 函数
您可以使用 access_ok 函数在您想要访问的用户空间检查指针的有效性。调用函数提供指向数据块的开始的指针、块大小和访问类型（无论这个区域是用来读还是写的）。函数原型定义如下：
access_ok( type, addr, size );
type 参数可以被指定为 VERIFY_READ 或 VERIFY_WRITE。VERIFY_WRITE 也可以识别内存区域是否可读以及可写（尽管访问仍然会生成 -EFAULT）。该函数简单检查地址可能是在用户空间，而不是内核。
get_user 函数
要从用户空间读取一个简单变量，可以使用 get_user 函数，该函数适用于简单数据类型，比如，char 和 int，但是像结构体这类较大的数据类型，必须使用 copy_from_user 函数。该原型接受一个变量（存储数据）和一个用户空间地址来进行 Read 操作：
get_user( x, ptr );
get_user 函数将映射到两个内部函数其中的一个。在系统内部，这个函数决定被访问变量的大小（根据提供的变量存储结果）并通过 __get_user_x 形成一个内部调用。成功时该函数返回 0，一般情况下，get_user 和 put_user 函数比它们的块复制副本要快一些，如果是小类型被移动的话，应该用它们。
put_user 函数
您可以使用 put_user 函数来将一个简单变量从内核写入用户空间。和 get_user 一样，它接受一个变量（包含要写的值）和一个用户空间地址作为写目标：
put_user( x, ptr );
和 get_user 一样，put_user 函数被内部映射到 put_user_x 函数，成功时，返回 0，出现错误时，返回 -EFAULT。
clear_user 函数
clear_user 函数被用于将用户空间的内存块清零。该函数采用一个指针（用户空间中）和一个型号进行清零，这是以字节定义的：
clear_user( ptr, n );
在内部，clear_user 函数首先检查用户空间指针是否可写（通过 access_ok），然后调用内部函数（通过内联组装方式编码）来执行 Clear 操作。使用带有 repeat 前缀的字符串指令将该函数优化成一个非常紧密的循环。它将返回不可清除的字节数，如果操作成功，则返回 0。
copy_to_user 函数
copy_to_user 函数将数据块从内核复制到用户空间。该函数接受一个指向用户空间缓冲区的指针、一个指向内存缓冲区的指针、以及一个以字节定义的长度。该函数在成功时，返回 0，否则返回一个非零数，指出不能发送的字节数。
copy_to_user( to, from, n );
检查了向用户缓冲区写入的功能之后（通过 access_ok），内部函数 __copy_to_user 被调用，它反过来调用 __copy_from_user_inatomic（在 ./linux/arch/x86/include/asm/uaccess_XX.h 中。其中 XX 是 32 或者 64 ，具体取决于架构。）在确定了是否执行 1、2 或 4 字节复制之后，该函数调用 __copy_to_user_ll，这就是实际工作进行的地方。在损坏的硬件中（在 i486 之前，WP 位在管理模式下不可用），页表可以随时替换，需要将想要的页面固定到内存，使它们在处理时不被换出。i486 之后，该过程只不过是一个优化的副本。
copy_from_user 函数
copy_from_user 函数将数据块从用户空间复制到内核缓冲区。它接受一个目的缓冲区（在内核空间）、一个源缓冲区（从用户空间）和一个以字节定义的长度。和 copy_to_user 一样，该函数在成功时，返回 0 ，否则返回一个非零数，指出不能复制的字节数。
copy_from_user( to, from, n );
该函数首先检查从用户空间源缓冲区读取的能力（通过 access_ok），然后调用 __copy_from_user，最后调用 __copy_from_user_ll。从此开始，根据构架，为执行从用户缓冲区到内核缓冲区的零拷贝（不可用字节）而进行一个调用。优化组装函数包含 管理功能。
strnlen_user 函数
strnlen_user 函数也能像 strnlen 那样使用，但前提是缓冲区在用户空间可用。strnlen_user 函数带有两个参数：用户空间缓冲区地址和要检查的最大长度。
strnlen_user( src, n );
strnlen_user 函数首先通过调用 access_ok 检查用户缓冲区是否可读。如果是 strlen 函数被调用，max length 参数则被忽略。
strncpy_from_user 函数
strncpy_from_user 函数将一个字符串从用户空间复制到一个内核缓冲区，给定一个用户空间源地址和最大长度。
strncpy_from_user( dest, src, n );
由于从用户空间复制，该函数首先使用 access_ok 检查缓冲区是否可读。和 copy_from_user 一样，该函数作为一个优化组装函数（在 ./linux/arch/x86/lib/usercopy_XX.c 中）实现。
内存映射的其他模式
上面部分探讨了在内核和用户空间之间移动数据的方法（使用内核初始化操作）。Linux 还提供一些其他的方法，用于在内核和用户空间中移动数据。尽管这些方法未必能够提供与用户空间内存访问函数相同的功能，但是它们在地址空间之间映射内存的功能是相似的。
在用户空间，注意，由于用户进程出现在单独的地址空间，在它们之间移动数据必须经过某种进程间通信机制。Linux 提供各种模式（比如，消息队列），但是最着名的是 POSIX 共享内存（shmem）。该机制允许进程创建一个内存区域，然后同一个或多个进程共享该区域。注意，每个进程可能在其各自的地址空间中映射共享内存区域到 不同地址。因此需要相对的寻址偏移（offset addressing）。
mmap 函数允许一个用户空间应用程序在虚拟地址空间中创建一个映射，该功能在某个设备驱动程序类中是常见的，允许将物理设备内存映射到进程的虚拟地址空间。在一 个驱动程序中，mmap 函数通过 remap_pfn_range 内核函数实现，它提供设备内存到用户地址空间的线性映射。
结束语
本文讨论了 Linux 中的内存管理主题，然后讨论了使用这些概念的用户空间内存访问函数。在用户空间和内核空间之间移动数据并没有表面上看起来那么简单，但是 Linux 包含一个简单的 API 集合，跨平台为您管理这个复杂的任务。
