计算机基础(用户态与内核态)

0.Linux 整体架构图

1.什么是用户态什么是内核态？

故事理解

​ 张三是某科技公司的运维工程师（低权限），在 15 楼办公码代码，公司提供的资源仅有一套电脑（用户态）

​ 张三，奋斗 5 年终于当上了sre工程师（高权限），之后张三搬到 30 楼，可以随时向资源部（系统调用）申请公司各种资源与获取公司的机密信息（内核态），所谓是走上人生巅峰。

​ 我们发现，低权限的资源范围较小，高权限的资源范围更大，所谓的「用户态与内核态只是不同权限的资源范围」。

运行流程

2.概念具体解读

Inter 把 C P U 指令集 操作的权限由高到低划为 4 级：ring 0,ring 1,ring 2,ring 3

​ 其中 ring 0 权限最高，可以使用所有 C P U 指令集，ring 3 权限最低，仅能使用常规 C P U 指令集，不能使用操作硬件资源的 C P U 指令集，比如 I O 读写、网卡访问、申请内存都不行，Linux 系统仅采用 ring 0 和 ring 3 这 2 个权限。

高情商

• ring 0 被叫做内核态，完全在操作系统内核中运行
• ring 3 被叫做用户态，在应用程序中运行

低情商

• 执行内核空间的代码，具有 ring 0 保护级别，有对硬件的所有操作权限，可以行所有C P U 指令集，访问任意地址的内存，在内核模式下的任何异常都是灾难性的，将会导致整台机器停机
• 在用户模式下，具有 ring 3 保护级别，代码没有对硬件的直接控制权限，也不能直接访问地址的内存，程序是通过调用系统接口(System Call APIs)来达到访问硬件和内存，在这种保护模式下，即时程序发生崩溃也是可以恢复的

3.用户态与内核态的空间

• 用户态：只能操作 0-3G 范围的低位虚拟空间地址
• 内核态：0-4G 范围的虚拟空间地址都可以操作，尤其是对 3-4G 范围的高位虚拟空间地址必须由内核态去操作
• 补充：3G-4G 部分大家是共享的（指所有进程的内核态逻辑地址是共享同一块内存地址），是内核态的地址空间，这里存放在整个内核的代码和所有的内核模块，以及内核所维护的数据

每个进程的 4G 虚拟空间地址，高位 1G 都是一样的，即内核空间。只有剩余的 3G 才归进程自己使用，换句话说就是， 高位 1G 的内核空间是被所有进程共享的！

4.用户态与内核态的切换

什么情况会导致用户态到内核态切换?

• 系统调用：用户态进程主动切换到内核态的方式，用户态进程通过系统调用向操作系统申请资源完成工作，例如 fork（）就是一个创建新进程的系统调用
• 异常：当 C P U 在执行用户态的进程时，发生了一些没有预知的异常，这时当前运行进程会切换到处理此异常的内核相关进程中，也就是切换到了内核态，如缺页异常
• 中断：当 C P U 在执行用户态的进程时，外围设备完成用户请求的操作后，会向 C P U 发出相应的中断信号，这时 C P U 会暂停执行下一条即将要执行的指令，转到与中断信号对应的处理程序去执行，也就是切换到了内核态。如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后边的操作等。

用户态和内核态如何相互切换?

​ 内核态和用户态的切换主要通过中断和系统调用来实现。