Linux用户态和内核态

我觉得这幅图更加符合:

因为应用程序也可以直接执行系统调用。

通过系统调用将Linux整个体系分为用户态和内核态(或者说内核空间和用户空间)。那内核态到底是什么呢?其实从本质上说就是我们所说的内核,它是一种特殊的软件程序,特殊在哪儿呢?控制计算机的硬件资源,例如协调CPU资源,分配内存资源,并且提供稳定的环境供应用程序运行

用户态就是提供应用程序运行的空间,为了使应用程序访问到内核管理的资源例如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。

系统调用

系统调用时操作系统的最小功能单位。根据不同的应用场景,不同的Linux发行版本提供的系统调用数量也不尽相同,大致在240-350之间。

例如:用户态想要申请一块20K大小的动态内存,就需要brk系统调用,将数据段指针向下偏移,如果用户态多处申请20K动态内存,同时又释放呢?这个内存的管理就变得非常的复杂。

库函数

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用户,这样增强了程序的灵活性,当然对于简单的接口,也可以直接使用系统调用访问资源,例如:open(),write(),read()等等。库函数根据不同的标准也有不同的版本,例如:glibc库,posix库等。

shell

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。为了方便用户与系统交互,它是一种特殊的应用程序,俗称命令行。

用户态到内核态怎样切换?

前面讲了这么多内核态和用户态什么不同,其实用一句话就能概括:它们权限不同。用户态的进程能够访问的资源受到了极大的控制,而运行在内核态的进程可以“为所欲为”。一个进程可以运行在用户态也可以运行在内核态,那它们之间肯定存在用户态和内核态切换的过程。打一个比方:C库接口malloc申请动态内存,malloc的实现内部最终还是会调用brk()或者mmap()系统调用来分配内存。

那为问题又来了,从用户态到内核态到底怎么进入?只能通过系统调用吗?还有其他方式吗?

从用户态到内核态切换可以通过三种方式:

  1. 系统调用。其实系统调用本身就是中断,但是是软中断,跟硬中断不同。
  2. 异常:如果当前进程运行在用户态,如果这个时候发生了异常事件,就会触发切换。例如:缺页异常。
  3. 外设中断:当外设完成用户的请求时,会向CPU发送中断信号。
系统调用的本质其实也是中断,相对于外围设备的硬中断,这种中断称为软中断。从触发方式和效果上来看,这三种切换方式是完全一样的,都相当于是执行了一个中断响应的过程。但是从触发的对象来看,系统调用是进程主动请求切换的,而异常和硬中断则是被动的。


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posted @ 2020-03-30 10:29  Rogn  阅读(539)  评论(0编辑  收藏  举报