本文以 IBM M. Jones 所著文章为雏形，更正了部分翻译术语，并增加了内存管理的内容，从宏观上讲述 Linux 内核与用户空间隔离的原因，为什么出现了相应的访问 API，大体上介绍内核与用户空间访问的一般模型。如果你想更深入的了解一些内核与用户空间实际交互的案例，请访问：设备驱动与 ioctl 函数详细分析
内存管理
为什么现代操作系统要使用虚拟地址空间而不是直接使用物理内存？1 其实早期的计算机，程序确实是直接使用物理内存的。随着编程技术不断的发展，有一个新的问题摆在人们面前，如何提高内存效率，将有限的物理内存分配给多个程序使用？
假设计算机拥有 256M 内存，程序 A 需要100M，程序 B 需要 150 M，程序 C 需要 50 M，一种常见的作法是，0 ~ 99 分配给 A，100 ~ 199 分配给 B，这样做的问题有三
- 进程地址空间不隔离，虽然每个进程分配了不同的物理地址段，但是由于没有 MMU（内存管理单元）不同进程可以越界访问其他进程空间，可能造成内存数据读写混乱
- 内存使用效率低，C 运行，就必须把内存中的 A 交换到磁盘中，每次这样，硬盘的大量读写数据，性能其实是很低的
- 程序运行地址不确定，程序每次装入时，分配的空间内存地址都不是固定的，但是实际编程中，我们可能总需要访问特定地址的数据
在这种情况下，出现了虚拟地址空间的概念。通过增加中间层的方式，间接访问物理地址。也就是说，把程序给出的地址看作是虚拟地址，通过某种映射方法，将这个虚拟地址转换成实际的物理地址。最终的目的是，每个程序能够访问的物理内存区域相互隔离，不重叠。
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。但是有时候我们也需要特意的让两个进程能够共享一块内存区域，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。
页表
虚拟内存到物理内存的映射是通过页表完成的，页表是一种特殊的数据结构，操作系统管理页表
- 页/页面：通常将虚拟地址空间以 512Byte ~ 8K，作为一个单位，称为页，并从 0 开始依次对每一个页编号。这个大小通常被称为页面
- 块：将物理地址按照同样的大小，作为一个单位，称为框或者块
- 页表：操作系统通过维护一张表，这张表上记录了每一对页和框的映射关系，即页表
CPU 中有一个页表寄存器，里面存放着当前进程页表的起始地址和页表长度。也就是说，硬件本身提供映射机制，内核则是负责页表的管理和配置。
有时候，进程可能需要一个较大的地址空间，物理内存可能常常不够使用。为此，paging 即 linux 中的 swap，会将较少使用的页移到速度较慢的存储设备，比如硬盘。Linux 中经常使用的 swap 分区就是用来存储这些不常用的页。
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。这些都是《操作系统原理》课程中，曾经学过的知识，在此不再多说。
并不是所有的页面都适合交换。例如，响应中断的内核代码或者管理页表和交换逻辑的代码，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。2
内核 API
以下是用户空间内存访问 API，这些函数经常出现在驱动层面，且不依赖于特定的架构
| 函数 | 描述 |
|---|---|
access_ok |
检查用户空间内存指针的有效性 |
copy_to_user |
将数据从内核空间复制到用户空间 |
copy_from_user |
将数据从用户空间复制到内核空间 |
strnlen_user |
用户空间内存中缓冲区字符串的长度 |
strncpy_from_user |
从用户空间复制一个字符串到内核 |
get_user |
从用户空间获取一个简单变量 |
put_user |
向用户空间输入一个简单变量 |
下图可以更加详细的说明这些函数的调用情况
access_ok
access_ok 函数在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
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
put_user
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。
copy_to_user
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 );
copy_from_user
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。
总结
本文多数来源于 IBM M. Jones 的翻译，增加了内存分页的说明，并修改了许多翻译错误的地方。这里只是粗略介绍一下，内核与用户交互常用的一些函数，如果你觉得本文只是泛泛而谈，并没有实际的说明，如果你还想看一下实际案例，内核和用户空间数据传输，在代码上到底是如何表现的，可以访问笔者之前的一篇文章：设备驱动与 ioctl 函数详细分析