IT系統(tǒng)運維：用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的理解與區(qū)別

2020-03-29 20:44 作者：艾銻無限 瀏覽量：

 
 
1、linux進程有4GB地址空間，如圖所示：

3G-4G大部分是共享的，是內(nèi)核態(tài)的地址空間。這里存放整個內(nèi)核的代碼和所有的內(nèi)核模塊以及內(nèi)核所維護的數(shù)據(jù)。
 
2、特權(quán)級的概念：

對于任何操作系統(tǒng)來說，創(chuàng)建一個進程是核心功能。創(chuàng)建進程要做很多工作，會消耗很多物理資源。比如分配物理內(nèi)存，父子進程拷貝信息，拷貝設(shè)置頁目錄頁表等等，這些工作得由特定的進程去做，所以就有了特權(quán)級別的概念。最關(guān)鍵的工作必須交給特權(quán)級最高的進程去執(zhí)行，這樣可以做到集中管理，減少有限資源的訪問和使用沖突。inter x86架構(gòu)的cpu一共有四個級別，0-3級，0級特權(quán)級最高，3級特權(quán)級最低。
 
3、用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的概念：

當(dāng)一個進程在執(zhí)行用戶自己的代碼時處于用戶運行態(tài)（用戶態(tài)），此時特權(quán)級最低，為3級，是普通的用戶進程運行的特權(quán)級，大部分用戶直接面對的程序都是運行在用戶態(tài)。Ring3狀態(tài)不能訪問Ring0的地址空間，包括代碼和數(shù)據(jù)；當(dāng)一個進程因為系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時處于內(nèi)核運行態(tài)（內(nèi)核態(tài)），此時特權(quán)級最高，為0級。執(zhí)行的內(nèi)核代碼會使用當(dāng)前進程的內(nèi)核棧，每個進程都有自己的內(nèi)核棧。用戶運行一個程序，該程序創(chuàng)建的進程開始時運行自己的代碼，處于用戶態(tài)。如果要執(zhí)行文件操作、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送等操作必須通過write、send等系統(tǒng)調(diào)用，這些系統(tǒng)調(diào)用會調(diào)用內(nèi)核的代碼。進程會切換到Ring0，然后進入3G-4G中的內(nèi)核地址空間去執(zhí)行內(nèi)核代碼來完成相應(yīng)的操作。內(nèi)核態(tài)的進程執(zhí)行完后又會切換到Ring3，回到用戶態(tài)。這樣，用戶態(tài)的程序就不能隨意操作內(nèi)核地址空間，具有一定的安全保護作用。這說的保護模式是指通過內(nèi)存頁表操作等機制，保證進程間的地址空間不會互相沖突，一個進程的操作不會修改另一個進程地址空間中的數(shù)據(jù)。
 
4、用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換

當(dāng)在系統(tǒng)中執(zhí)行一個程序時，大部分時間是運行在用戶態(tài)下的，在其需要操作系統(tǒng)幫助完成一些用戶態(tài)自己沒有特權(quán)和能力完成的操作時就會切換到內(nèi)核態(tài)。
用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的3種方式

（1）系統(tǒng)調(diào)用

這是用戶態(tài)進程主動要求切換到內(nèi)核態(tài)的一種方式。用戶態(tài)進程通過系統(tǒng)調(diào)用申請使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作。例如fork（）就是執(zhí)行了一個創(chuàng)建新進程的系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)調(diào)用的機制和新是使用了操作系統(tǒng)為用戶特別開放的一個中斷來實現(xiàn)，如Linux的int 80h中斷。

（2）異常

當(dāng)cpu在執(zhí)行運行在用戶態(tài)下的程序時，發(fā)生了一些沒有預(yù)知的異常，這時會觸發(fā)由當(dāng)前運行進程切換到處理此異常的內(nèi)核相關(guān)進程中，也就是切換到了內(nèi)核態(tài)，如缺頁異常。

（3）外圍設(shè)備的中斷

當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶請求的操作后，會向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信號，這時CPU會暫停執(zhí)行下一條即將要執(zhí)行的指令而轉(zhuǎn)到與中斷信號對應(yīng)的處理程序去執(zhí)行，如果前面執(zhí)行的指令時用戶態(tài)下的程序，那么轉(zhuǎn)換的過程自然就會是 由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。如硬盤讀寫操作完成，系統(tǒng)會切換到硬盤讀寫的中斷處理程序中執(zhí)行后邊的操作等。

這三種方式是系統(tǒng)在運行時由用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的最主要方式，其中系統(tǒng)調(diào)用可以認為是用戶進程主動發(fā)起的，異常和外圍設(shè)備中斷則是被動的。從觸發(fā)方式上看，切換方式都不一樣，但從最終實際完成由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換操作來看，步驟有事一樣的，都相當(dāng)于執(zhí)行了一個中斷響應(yīng)的過程。系統(tǒng)調(diào)用實際上最終是中斷機制實現(xiàn)的，而異常和中斷的處理機制基本一致。
 
5、用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)具體的切換步驟：

（1）從當(dāng)前進程的描述符中提取其內(nèi)核棧的ss0及esp0信息。

（2）使用ss0和esp0指向的內(nèi)核棧將當(dāng)前進程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起來，這個過程也完成了由用戶棧到內(nèi)核棧的切換過程，同時保存了被暫停執(zhí)行的程序的下一條指令。

（3）將先前由中斷向量檢索得到的中斷處理程序的cs,eip信息裝入相應(yīng)的寄存器，開始執(zhí)行中斷處理程序，這時就轉(zhuǎn)到了內(nèi)核態(tài)的程序執(zhí)行了。