谈到进程的地址空间，我们通常会想到这样一张经典的布局图：
这张图描绘了Linux程序运行时的进程地址空间，涵盖了代码区、数据区、堆区和栈区等我们熟悉的区域。本文不深入探讨这些常见分区，而是聚焦于地址空间最顶部的区域——内核。一个核心问题随之而来：为什么进程地址空间需要包含操作系统（内核）？
要理解这个问题，我们必须先了解操作系统是如何管理内存的。
现代操作系统普遍采用虚拟内存系统来管理物理内存。上图展示的连续内存布局实际上是一种“假象”，在物理内存中并不一定真实存在。虚拟内存系统的核心工作，就是将一系列非连续的物理内存页，映射到一段连续的虚拟地址空间，从而形成我们所见到的统一视图。
程序访问的地址都是虚拟地址。物理内存与虚拟内存之间的映射关系由页表维护。当CPU执行指令时，需要通过页表将虚拟地址转换为物理地址。这个过程对程序员是透明的，我们感知不到这种底层转换。
那么，内核为什么要将自己映射到每个进程的地址空间中呢？
这涉及到CPU的执行权限状态。以x86架构为例，处理器有4个权限级别，操作系统通常只使用其中两个，即用户态和内核态。我们编写的应用程序运行在用户态，而操作系统内核则运行在内核态。
在许多场景下，例如文件读写、网络通信等，应用程序都需要请求操作系统的服务，这个过程称为系统调用。系统调用会触发从用户态到内核态的切换。此外，中断处理和异常处理等场景也同样涉及两种状态的切换。
关键在于，应用程序在运行时需要频繁地在用户态和内核态之间进行切换。理解了这一点，答案就呼之欲出了。
试想，如果内核与用户态程序位于完全独立的地址空间（即使用不同的页表），那么每次状态切换都将伴随着页表的切换——从用户态进入内核态需要切换到内核的页表，而从内核态返回用户态则需要切换回进程自身的页表。页表切换对于计算机系统来说是一项不小的开销。
而如果内核将自己映射到每个进程的地址空间顶部（通常在高地址区域），使得内核和用户程序共享同一个地址空间视图，那么在进行状态切换时，就无需切换页表，只需改变CPU的权限级别即可。这极大地减少了状态切换带来的性能损耗，是内核设计中的一项重要性能优化策略。
因此，将内核映射到进程地址空间，主要是为了在频繁的用户态/内核态切换中，避免昂贵的页表切换开销，从而提升系统整体性能。这就是虚拟内存机制中一个精妙而关键的设计。 | 
发表于 8 小时前
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