Il titolo lo cambierei in: «La gestione della memoria in Linux»

In Linux la memoria utente e la memoria del kernel sono indipendenti e allocate in spazi di indirizzamento separati. Gli indirizzi degli spazi sono virtualizzati, il che significa che essi sono astratti dalla memoria fisica.

Il kernel risiede in uno spazio di indirizzamento proprio, così come ogni processo. Questi spazi costituiti da indirizzi di memoria virtuale, permettono l'allocazione di molti processi anche in uno spazio fisico di dimensione notevolmente inferiore al valore reale (indicato dalla memoria fisica della macchina). Tale meccanismo non è solo conveniente, ma è anche sicuro, in quanto ogni spazio di indirizzamento è indipendente e isolato.

Ma c'è un costo associato a questa sicurezza. Poiché singoli processi (e il kernel) possono avere indirizzi identici - che si riferiscono alle diverse regioni di memoria fisica precedentemente indicate con un indirizzo virtuale - non è immediatamente possibile avviare la condivisione della memoria fisica stessa. Fortunatamente esistono alcune soluzioni.

I processi utente possono condividere la memoria fisica attraverso il meccanismo shmem POSIX (SHared MEMory for Portable Operating System Interface for UNIX), con l'avvertenza che ogni processo può avere un diverso indirizzo virtuale che si riferisce alla stessa regione di memoria fisica.

La mappatura della memoria virtuale verso la memoria fisica avviene attraverso tabelle di paginazione, che sono implementate nel hardware sottostante. E' lo stesso hardware che fornisce la mappatura ma è il kernel che ne gestisce le tabelle e la loro configurazione. Si noti che un processo può avere un grande spazio di indirizzamento fisico ma il suo indirizzo può essere virtualizzato e allocato in piccole regioni (pagine) dello spazio di memoria. Questo permette ad un processo di avere un grande spazio di indirizzamento che è definito solo per le pagine che sono necessarie in un dato momento.

In un meccanismo del genere si prevede che la memoria fisica sottostante sia fin troppo impegnata. Attraverso un processo chiamato di paging (anche se in Linux è preferibile chiamarlo swapping), le pagine meno utilizzate sono spostate in modo dinamico verso un dispositivo di archiviazione più lento (come un disco) per ospitare altre pagine che devono essere immediatamente accessibili (vedi Figura 1). Dalla figura non credo si capisca quello che vuoi dire...

Questo comportamento permette alla memoria fisica di fornire un set di pagine all'applicazione che in quel momento ne fa richiesta.

Figura 1:

Il processo attraverso il quale viene selezionata una pagina di scambio è definito algoritmo della sostituzione di pagina e può essere implementato usando un certo numero di funzioni. Questo processo può azionarsi quando una posizione di memoria viene richiesta ma essa non è disponibile in quanto non presente nella memoria corrente (senza mappatura è presente nelle unità di gestione della memoria - memory management unit [MMU]). Quest'ultimo evento viene chiamato page fault e viene rilevato dal hardware e poi gestito dal firmware dopo un interrupt. Vedi figura 2 per un esempio. Anche questa figura non spiega quello che vuoi dire

Linux fornisce un'implementazione interessante circa lo swap che offre alcune utili caratteristiche.

Il sistema permette la creazione e l'utilizzo delle partizioni di swap multiple definendone la priorità, ciò permette di creare una gerarchia su dispositivi di storage che offrono prestazioni diverse.

Allegare la priorità più alta per lo swap su SSD, ad esempio, permette di utilizzata quella risorsa fino ad esaurimento, solo allora sarà possibile scrivere altre pagine di memoria su dispositivi diversi con una priorità inferiore (quindi più lenti). UN esempio su come si fa questa cosa? :)

Figura 2:

Non tutte le pagine sono candidate per lo swapping. Ci sono pagine che non dovrebbe mai essere sostituite e che sono riposte permanentemente in memoria come ad esempio gli algoritimi di gestione delle interruzioni, il codice per la gestione delle tabelle di paginazione e della logica di swap. Non solo, ci sono anche gli spazi di iomem...

Le pagine in user space sono delle valide candidate allo swapping ma possono essere bloccate attraverso una funzione mlock (o mlockall ). Questo è lo scopo delle funzioni presenti nello spazio utente. Perché? Quando vanno usate?

Se invece il kernel rileva un indirizzo che in un precedente indirizzamento era valido e accessibile, genera un kernel panic, perchè ad esempio la pagina utente è stata scambiata, per un errore, con una pagina nel kernel. Questa frase non l'ho capita...

Ora, proviamo ad esplorare le API del kernel per la manipolazione della memoria utente. Manipolazione???

• access_ok - Controlla la validità del puntatore di memoria in user space
• get_user - Ottiene una semplice variabile dallo spazio utente
• put_user - Mette una semplice variabile nello spazio utente
• clear_user - Cancella, o porta al valore zero, un blocco nello spazio utente
• copy_to_user - Copia un blocco di dati dal kernel allo spazio utente
• copy_from_user - Copia un blocco di dati dallo user space al kernel
• strnlen_user - Ottiene la dimensione di un buffer di stringhe nello spazio utente
• strncpy_from_user - Copia una stringa dallo spazio utente nel kernel

Per le architetture x86, è possibile trovare queste funzioni e i simboli definiti in ./linux/arch/x86/include/asm/uaccess.h, con sorgente in ./linux/arch/x86/lib/usercopy_32.c e usercopy_64.c.

Linux fornisce una serie di altri metodi che è possibile utilizzare per il movimento dei dati sia in kernel che in user space. Anche se questi metodi non possono necessariamente fornire funzionalità identiche, come descritto dalle funzioni di spazio utente, sono simili nella loro capacità di mappare la memoria tra gli spazi di indirizzamento. CHe vuol dire???

Rilevante è il compito della funzione mmap che consente ad una applicazione in user space di creare una mappatura nello spazio degli indirizzi virtuali. Questa funzionalità è comune in alcuni driver di periferica in quanto permette la mappatura del dispositivo fisico da associare ad uno spazio di indirizzi virtuali. Che vuol dire???

All'interno di un driver, la funzione mmap è implementata attraverso la funzione del kernel remap_pfn_range, che fornisce una mappatura lineare di memoria del dispositivo nello spazio l'indirizzo di un utente. Per fare cosa?

Ti consiglio di dire meno cose e di dirle meglio: riordinare, spiegare perché vanno suate  e fornire esempi di utilizzo delle funzioni di cui parli è il minimo...