Linux探秘之用户态与内核态

在Linux技术讨论中经常会用户态和内核态术语脱口而出，可你们想过吗？用户态和内核态代表是什么？本片文章，就来谈一谈这个话题。

我们先来看一张Linux整体架构图。

 

从图上我们可以看出来通过系统调用将Linux整个体系分为用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）（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。这些系统调用组成了用户态跟内核态交互的基本接口，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。它是一种特殊的应用程序，俗称命令行。为了方便用户和系统交互，一般一个shell对应一个终端，呈现给用户交互窗口。当然shell也是编程的，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。

我们再来看一个更加细化的Linux体系架构图。我们可以总结下：内核控制并且管理硬件资源，包括进程的调度和管理、内存管理、文件系统管理、设备驱动管理、网络管理等等。并且提供应用程序统一的系统调用接口。这种分层的架构，极大的提升了系统的稳定性和扩展性，兼容性。

 

  

用户态到内核态怎样切换？

往往我们的系统的资源是固定的，例如内存2G，CPU固定，磁盘2TB，网络接口固定。所以就需要操作系统对资源进行有效的利用。假设某个应用程序过分的访问这些资源，就会导致整个系统的资源被占用，如果不对这种行为进行限制和区分，就会导致资源访问的冲突。所以，Linux的设计的初衷：给不同的操作给与不同的“权限”。Linux操作系统就将权限等级分为了2个等级，分别就是内核态和用户态。

各位有没有发现，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）当然就是系统调用：原因如上的分析。

2）异常事件： 当CPU正在执行运行在用户态的程序时，突然发生某些预先不可知的异常事件，这个时候就会触发从当前用户态执行的进程转向内核态执行相关的异常事件，典型的如缺页异常。

3）外围设备的中断：当外围设备完成用户的请求操作后，会像CPU发出中断信号，此时，CPU就会暂停执行下一条即将要执行的指令，转而去执行中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是在用户态下，则自然就发生从用户态到内核态的转换。

注意：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，这是操作系统为用户特别开放的一种中断，如Linux int 80h中断。所以，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。

总结

本片文章，没有非常深入的Linux内核实现，只是从宏观的角度阐述了下。看完上面的文章，也能得出一点结论就是：系统调用真的开销蛮大的。

 

********转摘：https://cloud.tencent.com/developer/article/1025476