用户态与内核态

unix和linux的体系架构：分为用户态和内核态

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• 内核态：控制计算机的硬件资源，并提供上层应用程序运行的环境。

• 用户态：上层应用程序的活动空间，应用程序的执行必须依托于内核提供的资源。
• 系统调用：为了使上层应用能够访问到这些资源，内核为上层应用提供访问的接口。

三者之间的关系如下：

三者之间的关系.png

系统调用是操作系统中的最小功能单位。

• 系统调用与上层应用程序的关系：
  如果将系统调用比作是一个“比画”，那么上层应用就是一个“汉字”。如果完成一个“汉字”，就需要通过多个系统调用。

• 系统调用与公用函数库的关系：
  公用函数库实现对系统调用的封装，将简单的业务逻辑接口呈现给用户，方便用户调用，从这个角度上看，库函数就像是组成汉字的“偏旁”。

从特权级来区分内核态和用户态：

在CPU的所有指令中，有一些指令是非常危险的，如果错用，将导致整个系统崩溃。所以，CPU将指令分为特权指令和非特权指令，对于那些危险的指令，只允许操作系统及其相关模块使用，普通的应用程序只能使用那些不会造成灾难的指令。

intel cpu提供Ring0-Ring3四种级别的运行模式，Ring0级别最高，Ring3最低。Linux使用了Ring3级别运行用户态，Ring0作为 内核态。

用户态切换为内核态的三种情况：

• 系统调用

• 异常事件： 当CPU正在执行运行在用户态的程序时，突然发生某些预先不可知的异常事件，这个时候就会触发从当前用户态执行的进程转向内核态执行相关的异常事件，典型的如缺页异常。
• 外围设备的中断：当外围设备完成用户的请求操作后，会像CPU发出中断信号，此时，CPU就会暂停执行下一条即将要执行的指令，转而去执行中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是在用户态下，则自然就发生从用户态到内核态的转换。

系统调用的本质其实也是中断，相对于外围设备的硬中断，这种中断称为软中断。从触发方式和效果上来看，这三种切换方式是完全一样的，都相当于是执行了一个中断响应的过程。但是从触发的对象来看，系统调用是进程主动请求切换的，而异常和硬中断则是被动的。

参考资料：
Linux探秘之用户态与内核态
Linux用户态和内核态
linux操作系统的内核态和用户态