使用者態和核心態的理解和區別

1、linux程序有4gb位址空間，如圖所示：

3g-4g大部分是共享的，是核心態的位址空間。這裡存放整個核心的**和所有的核心模組以及核心所維護的資料。

2、特權級的概念：

對於任何作業系統來說，建立乙個程序是核心功能。建立程序要做很多任務作，會消耗很多物理資源。比如分配物理記憶體，父子程序拷貝資訊，拷貝設定頁目錄頁表等等，這些工作得由特定的程序去做，所以就有了特權級別的概念。最關鍵的工作必須交給特權級最高的程序去執行，這樣可以做到集中管理，減少有限資源的訪問和使用衝突。inter x86架構的cpu一共有四個級別，0-3級，0級特權級最高，3級特權級最低。

3、使用者態和核心態的概念：

當乙個程序在執行使用者自己的**時處於使用者執行態（使用者態），此時特權級最低，為3級，是普通的使用者程序執行的特權級，大部分使用者直接面對的程式都是執行在使用者態。ring3狀態不能訪問ring0的位址空間，包括**和資料；當乙個程序因為系統呼叫陷入核心**中執行時處於核心執行態（核心態），此時特權級最高，為0級。執行的核心**會使用當前程序的核心棧，每個程序都有自己的核心棧。

使用者執行乙個程式，該程式建立的程序開始時執行自己的**，處於使用者態。如果要執行檔案操作、網路資料傳送等操作必須通過write、send等系統呼叫，這些系統呼叫會呼叫核心的**。程序會切換到ring0，然後進入3g-4g中的核心位址空間去執行核心**來完成相應的操作。核心態的程序執行完後又會切換到ring3，回到使用者態。這樣，使用者態的程式就不能隨意操作核心位址空間，具有一定的安全保護作用。這說的保護模式是指通過記憶體頁表操作等機制，保證程序間的位址空間不會互相衝突，乙個程序的操作不會修改另乙個程序位址空間中的資料。

4、使用者態和核心態的切換

當在系統中執行乙個程式時，大部分時間是執行在使用者態下的，在其需要作業系統幫助完成一些使用者態自己沒有特權和能力完成的操作時就會切換到核心態。

使用者態切換到核心態的3種方式

（1）系統呼叫

這是使用者態程序主動要求切換到核心態的一種方式。使用者態程序通過系統呼叫申請使用作業系統提供的服務程式完成工作。例如fork（）就是執行了乙個建立新程序的系統呼叫。系統呼叫的機制和新是使用了作業系統為使用者特別開放的乙個中斷來實現，如linux的int 80h中斷。

（2）異常

當cpu在執行執行在使用者態下的程式時，發生了一些沒有預知的異常，這時會觸發由當前執行程序切換到處理此異常的核心相關程序中，也就是切換到了核心態，如缺頁異常。

（3）外圍裝置的中斷

當外圍裝置完成使用者請求的操作後，會向cpu發出相應的中斷訊號，這時cpu會暫停執行下一條即將要執行的指令而轉到與中斷訊號對應的處理程式去執行，如果前面執行的指令時使用者態下的程式，那麼轉換的過程自然就會是由使用者態到核心態的切換。如硬碟讀寫操作完成，系統會切換到硬碟讀寫的中斷處理程式中執行後邊的操作等。

這三種方式是系統在執行時由使用者態切換到核心態的最主要方式，其中系統呼叫可以認為是使用者程序主動發起的，異常和外圍裝置中斷則是被動的。從觸發方式上看，切換方式都不一樣，但從最終實際完成由使用者態到核心態的切換操作來看，步驟有事一樣的，都相當於執行了乙個中斷響應的過程。系統呼叫實際上最終是中斷機制實現的，而異常和中斷的處理機制基本一致。

5、使用者態到核心態具體的切換步驟：

（1）從當前程序的描述符中提取其核心棧的ss0及esp0資訊。

（2）使用ss0和esp0指向的核心棧將當前程序的cs,eip,eflags,ss,esp資訊儲存起來，這個過程也完成了由使用者棧到核心棧的切換過程，同時儲存了被暫停執行的程式的下一條指令。

（3）將先前由中斷向量檢索得到的中斷處理程式的cs,eip資訊裝入相應的暫存器，開始執行中斷處理程式，這時就轉到了核心態的程式執行了。

使用者態和核心態的理解和區別

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使用者態和核心態的理解

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