用户态和内核态的简单理解「建议收藏」

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linux基础

linux的kernel内核外是系统调用,系统调用外是shell、库函数,而应用程序则在最外层
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系统调用和库函数的区别

  • 内核:屏蔽了调用各硬件资源的细节
  • 系统调用:内核提供给用户调用的接口,但系统调用的可移植性差
    移植性差的原因:windows、linux内核的系统调用是不同的,比如:同一个功能提供给用户的函数名、参数都不相同,会出现从一个系统移植到另一个系统无法正常运行。
  • 库函数:为了解决系统调用移植新差的问题,同时封装windows和linux系统调用,对用户提供一个的函数(接口)。
  • 系统调用在内核地址空间执行,而库函数是在用户地址空间调用。

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为什么要区分用户态和内核态?

在CPU指令中,有些指令是非常危险的,如果错用将导致系统崩溃,比如清内存、设置时钟等,所以CPU将指令分为特权指令和非特权指令。对于危险指令,只允许操作系统及其相关模块使用,普通应用程序只能使用不危险的指令。

  • Intel的CPU将特权等级分为4个级别:Ring0~Ring3,而Linux使用Ring3级别运行用户态,Ring0作为内核态。
  • 操作系统启动时对内存进行了划分,操作系统的数据都是存放于内核空间的,用户进程的数据是存放于用户空间的。处于用户态级别的程序只能访问用户空间,而处于内核态级别的程序可以访问用户空间和内核空间。
  • 当一个进程执行系统调用而陷入内核代码中执行时,我们就称进程处于内核态

用户态和内核态的切换耗费时间的原因

内核为上层应用使用CPU、存储、IO等硬件资源提供了接口,即系统调用,如果一个应用程序需要用到内核资源,就需执行系统调用的相关语句。
(1)当执行系统调用时,首先会保存现场,然后通过系统调用到内核态执行,最后内核态变为用户态执行用户程序时,需要恢复用户态的现场。
在进入内核的时候需要保存用户态的寄存器,在内核态返回用户态的时候会恢复这些寄存器的内容。

(2)每个线程都有两个栈:用户栈和内核栈,当执行系统调用时,线程就会由用户栈切换到内核栈,而内核代码对用户不信任,需要进行额外的检查。
Linux | 为什么用户态和内核态的切换耗费时间?

哪些情况会出出现用户态和内核态的切换

  • 线程间的切换(上下文):线程上下文切换时,前一个线程的线程线程(切换前最后时刻的数据和指令)会被保存到内核中,而切换回来时需要从内核空间中读取数据恢复现场。
  • Syncronized锁的获取和释放:使用内核中monitor对象

用户态切换到内核态的三种方式

  • 当程序在用户态需要申请外部资源(如声卡、网卡、U盘、磁盘)时,需要从用户态切换到内核态,主要有3种情况需要申请外部资源:
    (1)系统调用
    举例: 创建线程时,需要通过pthread函数库调用内核来创建
    (2)中断
    举例: 当外围设备完成用户请求的操作后,会想CPU发送中断信号。这时CPU会暂停执行下一条指令(用户态)转而执行与该中断信号对应的中断处理程序
    (3)异常:某些异常如缺页异常只能由内核进行处理
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