用户态和内核态原理详解

mmap的原理

在虚拟地址空间那一节，我们知道，每一个进程都有一个列表vm_area_struct，指向虚拟地址空间的不同的内存块，这个变量的名字叫mmap。

其实内存映射不仅仅是 物理内存和虚拟内存之间的映射 ，还包括将 文件中的内容映射到虚拟内存空间

。这个时候，访问内存空间就能够访问到文件里面的数据。而仅有物理内存和虚拟内存的映射，是一种特殊情况。

用户态的内存映射机制，我们解析的差不多了，我们来总结一下，用户态的内存映射机制包含以下几个部分。

• 用户态内存映射函数mmap，包括用它来做匿名映射和文件映射。
• 用户态的页表结构，存储位置在mm_struct中。
• 在用户态访问没有映射的内存会引发缺页异常，分配物理页表、补齐页表。如果是匿名映射则分配物理内存；如果是swap，则将swap文件读入；如果是文件映射，则将文件读入。

内核态内存映射

物理内存根据 NUMA架构 分节点。每个节点里面再分区域。每个区域里面再分页。

物理页面通过 伙伴系统 进行分配。分配的物理页面要变成虚拟地址让上层可以访问，kswapd可以根据物理页面的使用情况对页面进行换入换出。

对于内存的分配需求，可能来自内核态，也可能来自用户态。

• 对于内核态 ， kmalloc在分配大内存 的时候，以及vmalloc分配不连续物理页的时候，直接使用伙伴系统，分配后转换为虚拟地址，访问的时候需要通过内核页表进行映射。undefined对于kmem_cache以及kmalloc分配小内存，则使用slub分配器，将伙伴系统分配出来的大块内存切成一小块一小块进行分配 。undefinedkmem_cache和kmalloc的部分不会被换出，因为用这两个函数分配的内存多用于保持内核关键的数据结构。内核态中vmalloc分配的部分会被换出，因而当访问的时候，发现不在，就会调用do_page_fault。
• 对于用户态 ，或者 直接调用mmap系统调用分配，或者调用malloc 。调用malloc的时候，如果分配小的内存，就用sys_brk系统调用；如果分配大的内存，还是用sys_mmap系统调用。正常情况下，用户态的内存都是可以换出的，因而一旦发现内存中不存在，就会调用do_page_fault。