Linxu 用户态和内核态

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Introduction

从图上我们可以看出来通过系统调用将Linux整个体系分为用户态和内核态（或者说内核空间和用户空间）。

那内核态到底是什么呢？其实从本质上说就是我们所说的内核，它是一种特殊的软件程序，特殊在哪儿呢？控制计算机的硬件资源，例如协调CPU资源，分配内存资源，并且提供稳定的环境供应用程序运行。

用户态就是提供应用程序运行的空间，为了使应用程序访问到内核管理的资源例如CPU、内存和I/O。内核必须提供一组通用的访问接口，这些接口就叫系统调用。

系统调用

系统调用是操作系统的最小功能单位。根据不同的应用场景，不同的Linux发行版本提供的系统调用数量也不尽相同，大致在240-350之间。

这些系统调用组成了用户态跟内核态交互的基本接口，例如：用户态想要申请一块20K大小的动态内存，就需要brk系统调用，将数据段指针向下偏移，如果用户态多处申请20K动态内存，同时又释放呢？这个内存的管理就变得非常的复杂。

库函数

库函数就是屏蔽这些复杂的底层实现细节，减轻程序员的负担，从而更加关注上层的逻辑实现。它对系统调用进行封装，提供简单的基本接口给用户，这样增强了程序的灵活性，当然对于简单的接口，也可以直接使用系统调用访问资源，例如：open（），write（），read（）等等。库函数根据不同的标准也有不同的版本，例如：glibc库，posix库等。

shell

shell顾名思义，就是外壳的意思。就好像把内核包裹起来的外壳。它是一种特殊的应用程序，俗称命令行。为了方便用户和系统交互，一般一个shell对应一个终端，呈现给用户交互窗口。

用户态到内核态怎样切换？

往往我们的系统的资源是固定的，例如内存2G，CPU固定，磁盘2TB，网络接口固定。所以就需要操作系统对资源进行有效的利用。

假设某个应用程序过分的访问这些资源，就会导致整个系统的资源被占用，如果不对这种行为进行限制和区分，就会导致资源访问的冲突。

所以，Linux的设计的初衷：给不同的操作给与不同的“权限”。Linux操作系统就将权限等级分为了2个等级，分别就是内核态和用户态。

一句话来概括：它们权限不同。用户态的进程能够访问的资源受到了极大的控制，而运行在内核态的进程可以“为所欲为”。

一个进程可以运行在用户态也可以运行在内核态，那它们之间肯定存在用户态和内核态切换的过程。例如，C库接口malloc申请动态内存，malloc的实现内部最终还是会调用brk()或者mmap()系统调用来分配内存。

从用户态到内核态到底怎么进入？除了通过系统调用吗，还有其他方式吗？

从用户态到内核态切换可以通过三种方式：

  1. 系统调用，其实系统调用本身就是中断，但是软件中断，跟硬中断不同。
  2. 异常，如果当前进程运行在用户态，如果这个时候发生了异常事件，就会触发切换。例如：缺页异常。
  3. 外设中断，当外设完成用户的请求时，会向CPU发送中断信号。

Reference