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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

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。

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