用户态和内核态的区别是啥

Posted 2021-12-20 SH的全栈笔记

先给不了解内核态、用户态的简单介绍一下，我们在什么时候会提到这两个概念。

例如我们的应用程序需要从磁盘读取某个文件的数据，此时并不是直接从磁盘加载到应用内存中，而是：

• 先将数据从「磁盘」复制到「内核 Buffer」
• 再将数据从「内核 Buffer」复制到「用户 Buffer」

以上就是用户态和内核态的概念。首先我们给他下个定义，这两个态是操作系统的运行级别。

然后我们知道，我们写的程序，最终运行的时候实际都会被编译、解释成一条一条的 CPU 指令被 CPU 执行。

用户态、内核态的指令都是 CPU 都在执行，所以我们可以换个说法，实际上这个态代表的是当前 CPU 的状态。那既然这些指令最终都由 CPU 执行，那对其区分的理由是什么呢？

那是因为，CPU 指令根据其重要的程度，也分为不同的权限。有一些指令执行失败了无关痛痒，而有一些指令失败了会导致整个操作系统崩溃，甚至需要重启系统。如果将这些指令随意开放给应用程序的话，整个系统崩溃的概率将会大大的增加。

再举个类似的例子。我们设计一个类，里面有几个很重要的变量，你大概率是不会把它们声明成 public 的吧？应该声明成 private，并开发几个专门修改他们的方法，对传入的值进行一系列的校验之后再去设置。

上面说到，CPU 指令是做了权限划分的， 例如 Intel X86 中将 CPU 指令权限划分为了 4 个等级：

它们之间的权限的高低程度可以通过这张图来识别：

所以可以看到，越靠近的核心的权限越高。换句话说，权限由高到低为：Ring0 > Ring1 > Ring2 > Ring3

在 Linux 系统中，由于只有 Ring0 和 Ring3 级别的指令，所以我们可以对用户态、内核态给一个更细节的区别描述：运行 Ring0 级别指令的叫内核态，运行 Ring3 级别指令的叫用户态。

了解了指令集权限的概念，我们就可以再更正一下上面的描述：什么态实际上代表的是当前 CPU 正在执行什么级别的指令

知道了用户态和内核态的区别、以及为什么要对其进行区别之后，我们就可以来看什么时候会从用户态切换到内核态了。

那什么又是系统调用呢？看这张图

当用户态的程序需要向操作系统申请更高权限的服务时，就通过系统调用向内核发起请求。

内核自然也会提供很多的接口来供调用，例如申请动态内存空间。但是申请了内存是不是还得考虑释放内存？如果把这块内存管理交给应用程序的话，复杂的管理工作会给开发带来很多负担。

所以库函数就是用于屏蔽掉内部复杂的细节的，我们的应用程序可以通过库函数来调用内核的提供的接口，而库函数就会发起系统调用，发起了系统调用之后，用户态就会切换成内核态去执行对应的内核方法。