内核态和用户态

Posted 2021-01-05 duanjiapingjy

Why？-------为了限制不同的程序之间的访问能力，防止它们获取别的程序的内存数据，或者获取外围设备的数据并发送到网络，将CPU划分出两个等级---用户态和内核态

两种运行级别，用于区分不同程序的不同权力。

　　如果一个应用程序运行在内核态，表明它可以访问到更多的资源，几乎可以访问计算机的任何资源。

　　如果一个应用程序运行在用户态，表明其访问资源将受到很多限制

内核态：CPU可以访问内存中的所有设备，包括外围设备，如硬盘、网卡；CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序

用户态：只能受限地访问内存，且不允许访问外围设备，占用CPU的能力被剥夺，CPU资源可以被其它程序获取

所有程序的运行都是在用户态的，但有时候需要做一些内核态的事情（从硬盘读取数据、或者从键盘输入数据），这些事情的实现必须依赖操作系统，此时，程序就需要向操作系统请求

系统调用机制，在CPU的实现称为陷阱指令

（1）用户态程序将一些数据值放到寄存器中，或者使用参数创建一个堆栈，用来表明这是需要操作系统提供的服务

（2）用户态程序执行陷阱指令

（3）CPU切换到内核态，并跳到位于内存中指定位置的指令，这些指令时操作系统的一部分，他们具有内存保护，不可以被用户态程序访问

（4）这些指令称之为陷阱（trap）或者系统调用处理器，他们会读取程序放入内存的数据参数，并执行程序请求的服务

（5）系统调用完成之后，操作系统会重置CPU为用户态并返回系统调用的结果

内核栈和用户栈

　　内核在创建进程的时候，会为进程创建两个栈，内核栈和用户栈。 用户栈存在于用户空间，内核栈存在于内核空间。

　   当进程在用户空间运行时，使用用户栈；当进程在内核空间运行时，使用内核栈。

　　每个进程通过系统调用或者发生异常进入内核；内核空间为所有进程共享

进程的内核态和用户态

　　进程通常都运行在用户态，在用户态使用CPU和内存完成一些事情，但是，当进程需要对硬件进行操作（如读取磁盘文件、发送网络数据）的时候，就需要切换到内核态，在内核态，进程将拥有更多的权限来控制整个计算机，在内核态完成任务之后，进程又切换回用户态。

　　设置内核态和用户态的主要目的是为了安全，是程序的两种运行级别，想要对操作系统底层进行操作，就必须切换到内核态，不必担心应用程序对硬件进行非法操作。

用户态切换到内核态

　　（1）系统调用

　　（2）异常

　　（3）外围设备中断

用户线程和内核线程

　　用户线程：不需要内核支持，在用户程序中实现的线程，不依赖于操作系统的核心，应用程序利用县城库提供的创建、同步、管理和调度线程的函数来控制用户线程。不需要进行用户态和内核态的切换，开销小。操作系统并不知道多线程的存在。一个线程阻塞将使得整个进程阻塞。

　　内核线程：由操作系统内核创建和销毁线程，内核维护进程及线程的上下文信息以及线程的切换。一个内核线程由于I/O操作而阻塞，不会影响其他线程的运行。

　　区别：

　　（1）操作系统内核是否能感知到线程的存在

　　（2）线程的创建、销毁、调度是否需要操作系统内核支持

　　（3）用户级线程在执行系统调用指令时，会导致其所属的进程被中断，而内核线程在执行系统调用指令时，只导致该线程被中断

　　（4）在只有用户级线程的系统内，CPU调度以进程为单位，处于运行状态的进程中的多个线程由应用程序控制线程轮换执行；

　　　　  在有内核线程的系统内，CPU调度以线程为基本单位，由OS的线程调度负责线程的调度