进程的用户态和内核态
文章目录
- 用户态和内核态之间关系？
- 指令划分
- 特权级别
- 那么为什么要有用户态和内核态呢？
- CPU状态之间的转换
用户态和内核态之间关系？
用户态和内核态是操作系统中CPU的两种运行状态。
内核态：处于内核态的 CPU 可以访问任意的数据，包括外围设备，比如网卡、硬盘等，处于内核态的 CPU 可以从一个程序切换到另外一个程序，并且占用 CPU 不会发生抢占情况，一般处于特权级 0 的状态我们称之为内核态。
用户态：处于用户态的 CPU 只能受限的访问内存，并且不允许访问外围设备，用户态下的 CPU 不允许独占，也就是说 CPU 能够被其他程序获取。 当程序运行在3级特权级上时，可以称之为运行在用户态
处于用户态执行时，进程所能访问的内存空间和对象受到限制，其所处于占有的处理器是可被抢占的处于内核态执行时，则能访问所有的内存空间和对象，且所占有的处理器是不允许被抢占的。
指令划分
特权指令：只能由操作系统使用、用户程序不能使用的指令。 举例：启动I/O 内存清零 修改程序状态字 设置时钟 允许/禁止终端 停机
非特权指令：用户程序可以使用的指令。 举例：控制转移 算数运算 取数指令 访管指令（使用户程序从用户态陷入内核态）
特权级别
特权环：R0、R1、R2和R3
R0相当于内核态，R3相当于用户态；
不同级别能够运行不同的指令集合；
那么为什么要有用户态和内核态呢？
这个主要是访问能力的限制的考量，计算机中有一些比较危险的操作，比如设置时钟、内存清理，这些都需要在内核态下完成，如果随意进行危险操作，极容易导致系统崩坏。
操作系统的核心是内核(kernel)，它独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。有些 CPU 的指令是非常危险的，一旦用错可能导致系统崩溃。如果所有的程序都可以任意使用这些指令，那么系统崩溃的概率将大大增加。为了保证内核的安全，操作系统一般都禁止用户进程直接操作内核。具体的实现方式是
将虚拟内存空间划分为两部分，一部分为内核空间，另一部分为用户空间。当进程运行在内核空间时就处于内核态，进程运行在用户空间时则处于用户态。无论是进程还是线程，它们的上下文切换和"内核态、用户态"没有直接的关系。比如
只要需要系统调用，即使不做任何切换，都需要进入内核态。举个例子：一个线程调用函数在屏幕上打印 hello world，就已经进入了内核态了，因为打印字符的功能是由内核程序提供的。总的来说，应用程序通常运行在用户态，遇到下列三种情况会切换到内核态：系统调用：创建和调度线程、加锁解锁等等。- 异常事件：发生不可知的异常时切换到内核态，以执行相关的异常事件。
- 设备中断：如果外围设备完成了用户请求，比如硬盘读写操作，就会给 CPU 发送中断信号。CPU 会转去处理中断事件，切换到内核态。
CPU状态之间的转换
用户态—>内核态：唯一途径是通过系统调用、设备中断、异常事件、陷入机制（访管指令）
内核态—>用户态：设置程序状态字PSW
例如利用线程函数需要系统调用
线程的代码在用户态运行，而调度是在内核态运行的。操作系统切换线程上下文的步骤如下所示：- 1）保留用户态现场
（上下文、寄存器、用户栈等） - 2）复制用户态参数，用户栈切到内核栈，
进入内核态 - 3）代码安全检查（内核不信任用户态代码）
- 4）执行内核态代码
- 5）复制内核态代码执行结果，
回到用户态 - 6）恢复用户态现场
（上下文、寄存器、用户栈等）
- 1）保留用户态现场
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