IT系統(tǒng)運(yùn)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(wú)限 瀏覽量：

 
 
1、linux進(jìn)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(gè)內(nèi)核的代碼和所有的內(nèi)核模塊以及內(nèi)核所維護(hù)的數(shù)據(jù)。
 
2、特權(quán)級(jí)的概念：

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

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行用戶自己的代碼時(shí)處于用戶運(yùn)行態(tài)（用戶態(tài)），此時(shí)特權(quán)級(jí)最低，為3級(jí)，是普通的用戶進(jìn)程運(yùn)行的特權(quán)級(jí)，大部分用戶直接面對(duì)的程序都是運(yùn)行在用戶態(tài)。Ring3狀態(tài)不能訪問(wèn)Ring0的地址空間，包括代碼和數(shù)據(jù)；當(dāng)一個(gè)進(jìn)程因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時(shí)處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)（內(nèi)核態(tài)），此時(shí)特權(quán)級(jí)最高，為0級(jí)。執(zhí)行的內(nèi)核代碼會(huì)使用當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)核棧，每個(gè)進(jìn)程都有自己的內(nèi)核棧。用戶運(yùn)行一個(gè)程序，該程序創(chuàng)建的進(jìn)程開(kāi)始時(shí)運(yùn)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(guò)write、send等系統(tǒng)調(diào)用，這些系統(tǒng)調(diào)用會(huì)調(diào)用內(nèi)核的代碼。進(jìn)程會(huì)切換到Ring0，然后進(jìn)入3G-4G中的內(nèi)核地址空間去執(zhí)行內(nèi)核代碼來(lái)完成相應(yīng)的操作。內(nèi)核態(tài)的進(jìn)程執(zhí)行完后又會(huì)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(hù)作用。這說(shuō)的保護(hù)模式是指通過(guò)內(nèi)存頁(yè)表操作等機(jī)制，保證進(jìn)程間的地址空間不會(huì)互相沖突，一個(gè)進(jìn)程的操作不會(huì)修改另一個(gè)進(jìn)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(gè)程序時(shí)，大部分時(shí)間是運(yùn)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(méi)有特權(quán)和能力完成的操作時(shí)就會(huì)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(jìn)程主動(dòng)要求切換到內(nèi)核態(tài)的一種方式。用戶態(tài)進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用申請(qǐng)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(gè)創(chuàng)建新進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)調(diào)用的機(jī)制和新是使用了操作系統(tǒng)為用戶特別開(kāi)放的一個(gè)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，如Linux的int 80h中斷。

（2）異常

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

（3）外圍設(shè)備的中斷

當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶請(qǐng)求的操作后，會(huì)向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信號(hào)，這時(shí)CPU會(huì)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(hào)對(duì)應(yīng)的處理程序去執(zhí)行，如果前面執(zhí)行的指令時(shí)用戶態(tài)下的程序，那么轉(zhuǎn)換的過(guò)程自然就會(huì)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(huì)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(yùn)行時(shí)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(rèn)為是用戶進(jìn)程主動(dòng)發(fā)起的，異常和外圍設(shè)備中斷則是被動(dòng)的。從觸發(fā)方式上看，切換方式都不一樣，但從最終實(shí)際完成由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換操作來(lái)看，步驟有事一樣的，都相當(dāng)于執(zhí)行了一個(gè)中斷響應(yīng)的過(guò)程。系統(tǒng)調(diào)用實(shí)際上最終是中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，而異常和中斷的處理機(jī)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(jìn)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(jìn)程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起來(lái)，這個(gè)過(guò)程也完成了由用戶棧到內(nèi)核棧的切換過(guò)程，同時(shí)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(kāi)始執(zhí)行中斷處理程序，這時(shí)就轉(zhuǎn)到了內(nèi)核態(tài)的程序執(zhí)行了。