用戶態和內核態的概念區別

1. 用戶態和內核態的概念區別

究竟什麼是用戶態，什麼是內核態，這兩個基本概念以前一直理解得不是很清楚，根本原因個人覺得是在於因為大部分時候我們在寫程式時關註的重點和著眼的角度放在了實現的功能和代碼的邏輯性上，先看一個例子：

1）例子

void testfork(){  
if(0 = = fork()){  
printf(“create new process success!\n”);  
}  
printf(“testfork ok\n”);  
}  

這段代碼很簡單，從功能的角度來看，就是實際執行了一個fork()，生成一個 新的進程，從邏輯的角度看，就是判斷瞭如果fork()返回的是0則列印相關語句，然後函數最後再列印一句表示執行完整個testfork()函數。代碼 的執行邏輯和功能上看就是如此簡單，一共四行代碼，從上到下一句一句執行而已，完全看不出來哪裡有體現出用戶態和進程態的概念。

如果說前面兩種是靜態觀察的角度看的話，我們還可以從動態的角度來看這段代碼，即它被轉換成CPU執行的指令後載入執行的過程，這時這段程式就是一個動態執行的指令序列。而究竟載入了哪些代碼，如何載入就是和操作系統密切相關了。

2）特權級

熟悉Unix/Linux系統的人都知道，fork的工作實際上是以系統調用的 方式完成相應功能的，具體的工作是由sys_fork負責實施。其實無論是不是Unix或者Linux，對於任何操作系統來說，創建一個新的進程都是屬於 核心功能，因為它要做很多底層細緻地工作，消耗系統的物理資源，比如分配物理記憶體，從父進程拷貝相關信息，拷貝設置頁目錄頁表等等，這些顯然不能隨便讓哪 個程式就能去做，於是就自然引出特權級別的概念，顯然，最關鍵性的權力必須由高特權級的程式來執行，這樣才可以做到集中管理，減少有限資源的訪問和使用沖 突。

特權級顯然是非常有效的管理和控製程序執行的手段，因此在硬體上對特權級做了很 多支持，就Intel x86架構的CPU來說一共有0~3四個特權級，0級最高，3級最低，硬體上在執行每條指令時都會對指令所具有的特權級做相應的檢查，相關的概念有 CPL、DPL和RPL，這裡不再過多闡述。硬體已經提供了一套特權級使用的相關機制，軟體自然就是好好利用的問題，這屬於操作系統要做的事情，對於 Unix/Linux來說，只使用了0級特權級和3級特權級。也就是說在Unix/Linux系統中，一條工作在0級特權級的指令具有了CPU能提供的最 高權力，而一條工作在3級特權級的指令具有CPU提供的最低或者說最基本權力。

3）用戶態和內核態

現在我們從特權級的調度來理解用戶態和內核態就比較好理解了，當程式運行在3級 特權級上時，就可以稱之為運行在用戶態，因為這是最低特權級，是普通的用戶進程運行的特權級，大部分用戶直接面對的程式都是運行在用戶態；反之，當程式運 行在0級特權級上時，就可以稱之為運行在內核態。

雖然用戶態下和內核態下工作的程式有很多差別，但最重要的差別就在於特權級的不 同，即權力的不同。運行在用戶態下的程式不能直接訪問操作系統內核數據結構和程式，比如上面例子中的testfork()就不能直接調用 sys_fork()，因為前者是工作在用戶態，屬於用戶態程式，而sys_fork()是工作在內核態，屬於內核態程式。

當我們在系統中執行一個程式時，大部分時間是運行在用戶態下的，在其需要操作系 統幫助完成某些它沒有權力和能力完成的工作時就會切換到內核態，比如testfork()最初運行在用戶態進程下，當它調用fork()最終觸發 sys_fork()的執行時，就切換到了內核態。

2. 用戶態和內核態的轉換

1）用戶態切換到內核態的3種方式

a. 系統調用

這是用戶態進程主動要求切換到內核態的一種方式，用戶態進程通過系統調用申請使 用操作系統提供的服務程式完成工作，比如前例中fork()實際上就是執行了一個創建新進程的系統調用。而系統調用的機制其核心還是使用了操作系統為用戶 特別開放的一個中斷來實現，例如Linux的int 80h中斷。

b. 異常

當CPU在執行運行在用戶態下的程式時，發生了某些事先不可知的異常，這時會觸發由當前運行進程切換到處理此異常的內核相關程式中，也就轉到了內核態，比如缺頁異常。

c. 外圍設備的中斷

當外圍設備完成用戶請求的操作後，會向CPU發出相應的中斷信號，這時CPU會 暫停執行下一條即將要執行的指令轉而去執行與中斷信號對應的處理程式，如果先前執行的指令是用戶態下的程式，那麼這個轉換的過程自然也就發生了由用戶態到 內核態的切換。比如硬碟讀寫操作完成，系統會切換到硬碟讀寫的中斷處理程式中執行後續操作等。

這3種方式是系統在運行時由用戶態轉到內核態的最主要方式，其中系統調用可以認為是用戶進程主動發起的，異常和外圍設備中斷則是被動的。

2）具體的切換操作

從觸發方式上看，可以認為存在前述3種不同的類型，但是從最終實際完成由用戶態 到內核態的切換操作上來說，涉及的關鍵步驟是完全一致的，沒有任何區別，都相當於執行了一個中斷響應的過程，因為系統調用實際上最終是中斷機制實現的，而 異常和中斷的處理機制基本上也是一致的，關於它們的具體區別這裡不再贅述。關於中斷處理機制的細節和步驟這裡也不做過多分析，涉及到由用戶態切換到內核態 的步驟主要包括：

[1] 從當前進程的描述符中提取其內核棧的ss0及esp0信息。

[2] 使用ss0和esp0指向的內核棧將當前進程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起來，這個

過程也完成了由用戶棧到內核棧的切換過程，同時保存了被暫停執行的程式的下一

條指令。

[3] 將先前由中斷向量檢索得到的中斷處理程式的cs,eip信息裝入相應的寄存器，開始

執行中斷處理程式，這時就轉到了內核態的程式執行了。

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