linux基礎(chǔ)

linux的kernel內(nèi)核外是系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用外是shell、庫函數(shù)，而應(yīng)用程序則在最外層

系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)的區(qū)別

• 內(nèi)核：屏蔽了調(diào)用各硬件資源的細節(jié)
• 系統(tǒng)調(diào)用：內(nèi)核提供給用戶調(diào)用的接口，但系統(tǒng)調(diào)用的可移植性差
  移植性差的原因：windows、linux內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用是不同的，比如：同一個功能提供給用戶的函數(shù)名、參數(shù)都不相同，會出現(xiàn)從一個系統(tǒng)移植到另一個系統(tǒng)無法正常運行。
• 庫函數(shù)：為了解決系統(tǒng)調(diào)用移植新差的問題，同時封裝windows和linux系統(tǒng)調(diào)用，對用戶提供一個的函數(shù)（接口）。
• 系統(tǒng)調(diào)用在內(nèi)核地址空間執(zhí)行，而庫函數(shù)是在用戶地址空間調(diào)用。

為什么要區(qū)分用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)？

在CPU指令中，有些指令是非常危險的，如果錯用將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，比如清內(nèi)存、設(shè)置時鐘等，所以CPU將指令分為特權(quán)指令和非特權(quán)指令。對于危險指令，只允許操作系統(tǒng)及其相關(guān)模塊使用，普通應(yīng)用程序只能使用不危險的指令。

• Intel的CPU將特權(quán)等級分為4個級別：Ring0~Ring3，而Linux使用Ring3級別運行用戶態(tài)，Ring0作為內(nèi)核態(tài)。
• 操作系統(tǒng)啟動時對內(nèi)存進行了劃分，操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都是存放于內(nèi)核空間的，用戶進程的數(shù)據(jù)是存放于用戶空間的。處于用戶態(tài)級別的程序只能訪問用戶空間，而處于內(nèi)核態(tài)級別的程序可以訪問用戶空間和內(nèi)核空間。
• 當(dāng)一個進程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時，我們就稱進程處于內(nèi)核態(tài)

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換耗費時間的原因

內(nèi)核為上層應(yīng)用使用CPU、存儲、IO等硬件資源提供了接口，即系統(tǒng)調(diào)用，如果一個應(yīng)用程序需要用到內(nèi)核資源，就需執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的相關(guān)語句。
（1）當(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時，首先會保存現(xiàn)場，然后通過系統(tǒng)調(diào)用到內(nèi)核態(tài)執(zhí)行，最后內(nèi)核態(tài)變?yōu)橛脩魬B(tài)執(zhí)行用戶程序時，需要恢復(fù)用戶態(tài)的現(xiàn)場。
在進入內(nèi)核的時候需要保存用戶態(tài)的寄存器，在內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)的時候會恢復(fù)這些寄存器的內(nèi)容。

（2）每個線程都有兩個棧：用戶棧和內(nèi)核棧，當(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時，線程就會由用戶棧切換到內(nèi)核棧，而內(nèi)核代碼對用戶不信任，需要進行額外的檢查。
Linux | 為什么用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換耗費時間？

哪些情況會出出現(xiàn)用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換

• 線程間的切換（上下文）：線程上下文切換時，前一個線程的線程線程（切換前最后時刻的數(shù)據(jù)和指令）會被保存到內(nèi)核中，而切換回來時需要從內(nèi)核空間中讀取數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場。
• Syncronized鎖的獲取和釋放：使用內(nèi)核中monitor對象

用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的三種方式

• 當(dāng)程序在用戶態(tài)需要申請外部資源（如聲卡、網(wǎng)卡、U盤、磁盤）時，需要從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，主要有3種情況需要申請外部資源：
  （1）系統(tǒng)調(diào)用
  舉例： 創(chuàng)建線程時，需要通過pthread函數(shù)庫調(diào)用內(nèi)核來創(chuàng)建
  （2）中斷
  舉例： 當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶請求的操作后，會想CPU發(fā)送中斷信號。這時CPU會暫停執(zhí)行下一條指令（用戶態(tài)）轉(zhuǎn)而執(zhí)行與該中斷信號對應(yīng)的中斷處理程序
  （3）異常：某些異常如缺頁異常只能由內(nèi)核進行處理

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的用户态和内核态的简单理解「建议收藏」的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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