(C语言内存十一)用户模式和内核模式
引言
首先我们要解释一个概念——进程(Process)。简单来说,一个可执行程序就是一个进程,前面我们使用C语言编译生成的程序,运行后就是一个进程。进程最显著的特点就是拥有独立的地址空间。
严格来说,程序是存储在磁盘上的一个文件,是指令和数据的集合,是一个静态的概念;进程是程序加载到内存运行后一些列的活动,是一个动态的概念。
前面我们在讲解地址空间时,一直说“程序的地址空间”,这其实是不严谨的,应该说“进程的地址空间”。一个进程对应一个地址空间,而一个程序可能会创建多个进程。
内核模式和用户模式
内核空间存放的是操作系统内核代码和数据,是被所有程序共享的,在程序中修改内核空间中的数据不仅会影响操作系统本身的稳定性,还会影响其他程序,这是非常危险的行为,所以操作系统禁止用户程序直接访问内核空间。
要想访问内核空间,必须借助操作系统提供的 API 函数,执行内核提供的代码,让内核自己来访问,这样才能保证内核空间的数据不会被随意修改,才能保证操作系统本身和其他程序的稳定性。
用户程序调用系统 API 函数称为系统调用(System Call);发生系统调用时会暂停用户程序,转而执行内核代码(内核也是程序),访问内核空间,这称为内核模式(Kernel Mode)。
用户空间保存的是应用程序的代码和数据,是程序私有的,其他程序一般无法访问。当执行应用程序自己的代码时,称为用户模式(User Mode)。
计算机会经常在内核模式和用户模式之间切换:
当运行在用户模式的应用程序需要输入输出、申请内存等比较底层的操作时,就必须调用操作系统提供的 API 函数,从而进入内核模式;
操作完成后,继续执行应用程序的代码,就又回到了用户模式。
总结:用户模式就是执行应用程序代码,访问用户空间;内核模式就是执行内核代码,访问内核空间(当然也有权限访问用户空间)。
为什么要区分两种模式
我们知道,内核最主要的任务是管理硬件,包括显示器、键盘、鼠标、内存、硬盘等,并且内核也提供了接口(也就是函数),供上层程序使用。当程序要进行输入输出、分配内存、响应鼠标等与硬件有关的操作时,必须要使用内核提供的接口。但是用户程序是非常不安全的,内核对用户程序也是充分不信任的,当程序调用内核接口时,内核要做各种校验,以防止出错。
从 Intel 80386 开始,出于安全性和稳定性的考虑,CPU 可以运行在 ring0 ~ ring3 四个不同的权限级别,也对数据提供相应的四个保护级别。不过 Linux 和 Windows 只利用了其中的两个运行级别:
一个是内核模式,对应 ring0 级,操作系统的核心部分和设备驱动都运行在该模式下。
另一个是用户模式,对应 ring3 级,操作系统的用户接口部分(例如 Windows API)以及所有的用户程序都运行在该级别。
为什么内核和用户程序要共用地址空间
既然内核也是一个应用程序,为何不让它拥有独立的4GB地址空间,而是要和用户程序共享、占用有限的内存呢?
让内核拥有完全独立的地址空间,就是让内核处于一个独立的进程中,这样每次进行系统调用都需要切换进程。切换进程的消耗是巨大的,不仅需要寄存器进栈出栈,还会使CPU中的数据缓存失效、MMU中的页表缓存失效,这将导致内存的访问在一段时间内相当低效。
而让内核和用户程序共享地址空间,发生系统调用时进行的是模式切换,模式切换仅仅需要寄存器进栈出栈,不会导致缓存失效;现代CPU也都提供了快速进出内核模式的指令,与进程切换比起来,效率大大提高了。