用户态/内核态用户栈/内核栈

Posted 2022-09-04 kukudi

一、用户态和内核态

    内核态和用户态是操作系统的两种运行级别，用于区分不同程序的不同权利。

    内核态就是拥有资源多的状态，或者说访问资源多的状态，也称为特权态。相对来说，用户态就是非特权态，访问的而资源将受到限制。如果一个程序运行在特权态，该程序就可以访问计算机的任何资源，它的资源访问权限不受限制。如果一个程序运行在用户态，其资源需求将受到各种限制。如：要访问操作系统的内核数据结构，如进程表，则需要在特选态下才能办到。如果要访问用户程序里的数据，在用户态即可。

 

二、用户栈和内核栈

    内核在创建进程的时候，在创建task_struct的同时，会为进程创建相应的堆栈。每一个进程都有两个栈，一个用户栈，存在于用户空间；一个内核栈，存在于内核空间。当进程在用户空间运行时，CPU堆栈指针寄存器里面的内容都是用户栈地址，使用用户栈；当进程在内核空间时，CPU堆栈指针寄存器里面的内容是内核栈空间地址，使用内核栈。    

    当进程因为中断或者系统调用陷入到内核态时，进程所使用的堆栈也要从用户栈转到内核栈。进程陷入到内核态后，先把用户态堆栈的地址保存在内核栈之中，然后设置堆栈指针寄存器的内容为内核栈的地址，这样就完成了用户栈向内核栈的转换；当进程从内核态恢复到用户态之后时，在内核态之后的最后将保存在内核栈里面的用户栈的地址恢复到堆栈指针寄存器即可。这样就实现了用户栈和内核栈的互转。

    那么，知道从内核转到用户态时，用户栈的地址是在陷入内核的时候保存在内核栈里面的，但是在陷入内核的时候，如何知道内核栈的地址？关键在进程从用户态转到内核态的时候，进程的内核栈总是空的。这是因为当进程在用户态运行时，使用的用户栈，当进程陷入到内核态时，内核保存进程在内核态运行的相关信息，但是一旦进程返回到用户态后，内核栈中保存的信息无效，会全部恢复，因此每次进程从用户态陷入内核的时候得到的内核栈都是空的。所以在进程陷入内核的时候，直接把内核栈的栈顶地址给堆栈指针寄存器就可以了。

 

简而言之,一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程. 线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高。 
另外，进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大地提高了程序的运行效率。 
同一个进程的多个子线程在进程的共享内存中分配独立的栈空间 
栈：是个线程独有的，保存其运行状态和局部自动变量的。栈在线程开始的时候初始化，每个线程的栈互相独立，因此，栈是thread safe的。每个C++对象的数据成员也存在在栈中，每个函数都有自己的栈，栈被用来在函数之间传递参数。操作系统在切换线程的时候会自动的切换栈，就是切换SS/ESP寄存器。栈空间不需要在高级语言里面显式的分配和释放。 
在Linux系统上每一个线程，实际上都有独立的2个栈空间，用户栈空间和内核栈空间。（注意是每个线程） 
进程和线程在Linux上的唯一区别就是同一个进程的不同线程共享进程的地址空间，仅此而已。