Linux 用户态和内核态

1.特权级
特权级用来管理和控制程序执行。
如Intel x86架构的CPU，有0~3四个特权级，0级最高，3级最低。
硬件在执行每条指令时都会检查指令具有的特权级。
硬件提供了特权级使用机制，对操作系统来说，负责确定指令的特权级。
如Linux中，只使用了0和3级特权级，工作在0级特权级的指令具有CPU提供的最高权力，
而三级特权级指令只具有CPU提供的最基本权力。

2.用户态和内核态的区别
当程序运行在3级特权级时，称为运行在用户态，普通的用户进程一般运行在用户态。
当程序运行在0级特权级时，称为运行在内核态。

用户态和内核态最主要的差别在于特权级的不同。运行在用户态的程序不能直接访问操作系统内核。

我们通过以下示例来分析用户态和内核态：

void testfork(){
    if(0==fork()){
        printf("create new process success");
    }
}

当程序调用fork()时，最终会调用sys_fork()函数来创建一个子进程。
testfork()函数中不能直接调用sys_fork(),因为前者是用户态程序，而sys_fork()工作在内核态。此时，进程会在操作系统的帮助下，由用户态切换到内核态。

3.用户态和内核态切换的三种方式
1)系统调用
用户态进程主动要求切换到内核态。
用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作。
如上例的sys_fork()
2)异常
当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生某些异常后，会触发当前运行进程切换到异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，如缺页异常。
3)外围设备的中断
当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发送相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前知心的指令时用户态下的程序，那么这个转换也就是由用户态到内核态的切换。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续操作。

4.用户态和内核态切换的原理
用户态和内核态的切换，是系统调用了中断机制，执行了一个中断响应的过程。
步骤主要包括：
1)从当前进程的描述符中提取其内核栈的ss0及esp0信息。
2)使用sso和esp0执行的内核栈将当前进程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起来，这个过程完成了由用户栈到内核栈的切换过程，同时保存了被暂停执行程序的下一条指令。
3)将先前由中断向量检索得到的中断处理程序的cs,eip信息装入相应的寄存器，执行中断处理程序，这时就转到了内核态的程序执行了。