2025.1.2复习

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用户态（User Mode）执行的任务：

1. 运行用户程序
   • 应用程序（如浏览器、文本编辑器、游戏等）通常在用户态下运行。
   • 用户态程序没有直接访问硬件和系统资源的权限，它们只能通过系统调用来请求操作系统的服务。
2. 内存管理
   • 用户态进程使用的是虚拟内存。用户程序可以访问其虚拟地址空间，但不能直接访问物理内存，必须通过操作系统提供的虚拟内存机制来管理。
3. 输入输出（I/O）请求
   • 用户程序进行文件读写、网络通信等操作时，通常会通过系统调用（如 read()、write()、open()）请求内核的服务。虽然这些操作的请求是在用户态发起的，但实际的硬件访问是在内核态执行的。
4. 进程执行
   • 在正常的程序执行过程中，程序指令在用户态运行。这些指令是由用户代码编写的，不涉及操作系统的内核服务。
5. 系统调用
   • 用户态程序通过系统调用（例如 fork()、exec()、exit()）请求操作系统服务时，会从用户态切换到内核态，完成操作后再返回用户态。

内核态（Kernel Mode）执行的任务：

1. 进程调度
   • 操作系统在内核态中进行进程调度，决定哪个进程可以运行，哪个进程被挂起。
   • 内核管理进程的生命周期，包括进程创建、终止、切换等。
2. 内存管理
   • 内核负责管理系统的物理内存和虚拟内存，包括分页、分配内存块、内存保护等。
   • 内核会通过内存分配器为用户程序和内核本身分配内存，并处理内存中的页面错误（如页面缺失）。
3. 硬件交互
   • 所有直接的硬件操作（如磁盘、网络、显示器、打印机等）都是由操作系统的内核在内核态中完成的。
   • 内核通过设备驱动程序与硬件通信，提供硬件抽象层。
4. 中断和异常处理
   • 当发生硬件中断（如键盘输入、定时器中断）或软件异常（如除零、非法内存访问）时，处理程序会进入内核态。
   • 操作系统在内核态处理中断、异常，确保进程状态的保存和恢复。
5. 系统调用处理
   • 当用户程序通过系统调用请求操作系统服务时，操作系统会在内核态中处理这些请求。例如，进行文件读写、网络通信等操作时，内核会负责实际的I/O操作。
6. 文件系统操作
   • 内核负责管理文件系统，处理文件的打开、关闭、读取、写入等操作。
   • 文件系统操作通常需要内核提供低级别的文件管理和硬件访问。
7. 网络协议处理
   • 网络通信协议（如 TCP/IP）栈的处理在内核态进行，网络数据包的接收、发送、路由等都由内核来完成。
8. 内核线程与内核任务
   • 内核态中还存在一些内核级线程或任务（如定时器中断处理、硬件监控等），它们在内核态运行，确保系统的正常运行。

内核态和用户态之间的切换：

• 系统调用：用户态程序通过系统调用切换到内核态，请求操作系统提供服务。比如，文件操作、内存分配、进程管理等。
• 中断：硬件或软件中断会使得CPU从用户态切换到内核态，以便操作系统能够处理外部设备的请求或程序异常。
• 上下文切换：操作系统通过进程调度切换不同的进程，并在用户态和内核态之间切换执行。

总结：

• 用户态：程序执行用户代码、访问用户内存、请求系统服务。
• 内核态：操作系统执行进程管理、内存管理、硬件交互、中断处理、系统调用等关键操作，具有更高的权限。

内核态和用户态的切换通常会带来一定的性能开销，因此操作系统尽量减少在用户程序执行期间进入内核态的次数。