随笔

Posted 2020-07-21

内核空间与用户空间

介绍

　　Linux系统将自身划分为两部分，一部分为核心软件，即是kernel，也称作内核空间，另一部分为普通应用程序，这部分称为用户空间。

　　Linux简化了分段机制，使得虚拟地址与线性地址总是一致，因此，Linux的虚拟地址空间也为0~4G.Linux内核将这4G字节的空间分为两部分。将最高的1G字节(从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF)，供内核使用，称为"内核空间".而将较低的3G字节(从虚拟地址 0x00000000到0xBFFFFFFF)，供各个进程使用，称为"用户空间)。因为每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核由系统内的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间。

　　Linux使用两级保护机制：0级供内核使用，3级供用户程序使用。从图中可以看出(这里无法表示图)，每个进程有各自的私有用户空间(0~3G)，这个空间对系统中的其他进程是不可见的。最高的1GB字节虚拟内核空间则为所有进程以及内核所共享。

　　内核空间中存放的是内核代码和数据，而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间，它们都处于虚拟空间中。

　　虽然内核空间占据了每个虚拟空间中的最高1GB字节，但映射到物理内存却总是从最低地址(0x00000000)开始。对内核空间来说，其地址映射是很简单的线性映射，0xC0000000就是物理地址与线性地址之间的位移量，在Linux代码中就叫做PAGE_OFFSET.

相互作用

现在，越来越多的应用程序需要编写内核级和用户级的程序来一起完成具体的任务，通常采用以下模式：首先，编写内核服务程序利用内核空间提供的权限和服务来接收、处理和缓存数据；然后编写用户程序来和先前完成的内核服务程序交互，具体来说，可以利用用户程序来配置内核服务程序的参数，提取内核服务程序提供的数据，当然，也可以向内核服务程序输入待处理数据。

比较典型的应用包括: Netfilter(内核服务程序：防火墙)VS Iptable（用户级程序：规则设置程序）；IPSEC(内核服务程序：VPN协议部分)VS IKE(用户级程序：vpn密钥协商处理)；当然还包括大量的设备驱动程序及相应的应用软件。这些应用都是由内核级和用户级程序通过相互交换信息来一起完成特定任务的。

交互

　　在进行设备驱动程序开发，内核功能模块等系统级开发时，常常需要在内核和用户态之间交互信息。Linux针对不同的情况提供了多种方法实现内核态和用户态的交互。包括内核启动参数、模块参数与 sysfs、sysctl、系统调用、netlink、procfs、seq_file、debugfs和relayfs，除此之外，还有其他的一些，比如brk()系统调用，信号，内存映射机制等等。