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什么是用户态与内核态

这篇文章主要讲解了“什么是用户态与内核态”，文中的讲解内容简单清晰，易于学习与理解，下面请大家跟着小编的思路慢慢深入，一起来研究和学习“什么是用户态与内核态”吧！

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内容大纲

什么是用户态与内核态

小故事

张三是某科技公司的初级Java开发工程师（低权限），目前在15楼办公码代码，公司提供的资源仅有一套电脑（用户态），张三想着这一线的房价，倍感压力山大，于是给自己定下一个目标，一定要做技术总监，在一线扎根， 奋斗B张三，奋斗5年终于当上了技术总监（高权限），之后张三搬到30楼，可以随时向资源部（系统调用）申请公司各种资源与获取公司的机密信息（内核态），所谓是走上人生巅峰。

通过这个故事，我们发现，低权限的资源范围较小，高权限的资源范围更大，所谓的「用户态与内核态只是不同权限的资源范围」。

C P U 指令集权限

在说用户态与内核态之前，有必要说一下 C P U 指令集，指令集是 C P U 实现软件指挥硬件执行的媒介，具体来说每一条汇编语句都对应了一条 C P U 指令，而非常非常多的 C P U 指令 在一起，可以组成一个、甚至多个集合，指令的集合叫 C P U 指令集。

同时 C P U 指令集 有权限分级，大家试想，C P U 指令集 可以直接操作硬件的，要是因为指令操作的不规范`，造成的错误会影响整个计算机系统的。好比你写程序，因为对硬件操作不熟悉，导致操作系统内核、及其他所有正在运行的程序，都可能会因为操作失误而受到不可挽回的错误，最后只能重启计算机才行。

而对于硬件的操作是非常复杂的，参数众多，出问题的几率相当大，必须谨慎的进行操作，对开发人员来说是个艰巨的任务，还会增加负担，同时开发人员在这方面也不被信任，所以操作系统内核直接屏蔽开发人员对硬件操作的可能，都不让你碰到这些 C P U 指令集。

什么是用户态与内核态

高情商

  • ring 0被叫做内核态，完全在操作系统内核中运行

  • ring 3被叫做用户态，在应用程序中运行

低情商

  • 执行内核空间的代码，具有ring 0保护级别，有对硬件的所有操作权限，可以执行所有C P U 指令集，访问任意地址的内存，在内核模式下的任何异常都是灾难性的，将会导致整台机器停机

  • 在用户模式下，具有ring 3保护级别，代码没有对硬件的直接控制权限，也不能直接访问地址的内存，程序是通过调用系统接口(System Call APIs)来达到访问硬件和内存，在这种保护模式下，即时程序发生崩溃也是可以恢复的，在电脑上大部分程序都是在，用户模式下运行的

用户态与内核态

通关了C P U 指令集权限，现在再说用户态与内核态就十分简单了，用户态与内核态的概念就是C P U 指令集权限的区别，进程中要读写 I O，必然会用到 ring 0 级别的 C P U 指令集，而此时 C P U 的指令集操作权限只有 ring 3，为了可以操作ring 0 级别的 C P U 指令集， C P U 切换指令集操作权限级别为 ring 0，C P U再执行相应的ring 0 级别的 C P U 指令集（内核代码），执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。

PS：每个进程都有两个栈，分别是用户栈与内核栈，对应用户态与内核态的使用

用户态与内核态的空间

在内存资源上的使用，操作系统对用户态与内核态也做了限制，每个进程创建都会分配「虚拟空间地址」（不懂可以参考我的另一篇文章“15分钟！一文帮小白搞懂操作系统之内存”），以Linux32位操作系统为例，它的寻址空间范围是 4G（2的32次方），而操作系统会把虚拟控制地址划分为两部分，一部分为内核空间，另一部分为用户空间，高位的 1G（从虚拟地址 0xC0000000 到 0xFFFFFFFF）由内核使用，而低位的 3G（从虚拟地址 0x00000000 到 0xBFFFFFFF）由各个进程使用。

什么是用户态与内核态

从上图我们可以看出来通过系统调用将Linux整个体系分为用户态和内核态，为了使应用程序访问到内核的资源，如CPU、内存、I/O，内核必须提供一组通用的访问接口，这些接口就叫系统调用。

库函数就是屏蔽这些复杂的底层实现细节，减轻程序员的负担，从而更加关注上层的逻辑实现，它对系统调用进行封装，提供简单的基本接口给程序员。

Shell顾名思义，就是外壳的意思，就好像把内核包裹起来的外壳，它是一种特殊的应用程序，俗称命令行。Shell也是可编程的，它有标准的Shell 语法，符合其语法的文本叫Shell脚本，很多人都会用Shell脚本实现一些常用的功能，可以提高工作效率。

最后来说说，什么情况会导致用户态到内核态切换

  • 系统调用：用户态进程主动切换到内核态的方式，用户态进程通过系统调用向操作系统申请资源完成工作，例如 fork（）就是一个创建新进程的系统调用，系统调用的机制核心使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，如Linux 的 int 80h 中断，也可以称为软中断

  • 异常：当 C P U 在执行用户态的进程时，发生了一些没有预知的异常，这时当前运行进程会切换到处理此异常的内核相关进程中，也就是切换到了内核态，如缺页异常

  • 中断：当 C P U 在执行用户态的进程时，外围设备完成用户请求的操作后，会向 C P U 发出相应的中断信号，这时 C P U 会暂停执行下一条即将要执行的指令，转到与中断信号对应的处理程序去执行，也就是切换到了内核态。如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后边的操作等。

感谢各位的阅读，以上就是“什么是用户态与内核态”的内容了，经过本文的学习后，相信大家对什么是用户态与内核态这一问题有了更深刻的体会，具体使用情况还需要大家实践验证。这里是创新互联，小编将为大家推送更多相关知识点的文章，欢迎关注！


文章标题：什么是用户态与内核态
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