学习笔记 | 用户态到内核态的转化原理

01 请你说一说用户态和内核态区别

• 为了区分不同的程序的不同权限，人们发明了内核态和用户态的概念。
• 用户态和内核态是操作系统的两种运行级别，两者最大的区别就是特权级不同。用户态拥有最低的特权级，内核态拥有较高的特权级。 运行在用户态的程序不能直接访问操作系统内核数据结构和程序。
• 内核态和用户态之间的转换方式主要包括：系统调用，异常和中断。

02 操作系统为什么要分内核态和用户态

• 为了安全性。在cpu的一些指令中，有的指令如果用错，将会导致整个系统崩溃。分了内核态和用户态后，当用户需要操作这些指令时候，内核为其提供了API，可以通过系统调用陷入内核，让内核去执行这些操作。

03 内核态和用户态

• 内核态就是拥有资源多的状态，或者说访问资源多的状态，称为特权态。
• 用户态就是非特权态，在此种状态下访问的资源将受到限制。
• 如果一个程序运行在特权态，则该程序就可以访问计算机的任何资源，即它的资源访问不受限制。如果一个程序运行在用户态，则其资源需求将受到各种限制。由于内核态的程序可以访问计算机的所有资源，因此这种程序的可靠性和安全性就显得十分重要。
• 内核态和用户态各有优势：
  运行在内核态的程序可以访问的资源多，但可靠性、安全性要求高，维护管理都较复杂；用户态程序程序访问的资源有限，但可靠性、安全性要求低，自然编写维护起来比较简单。一个程序到底应该运行在内核态还是用户态则取决于其对资源和效率的需求。
• 一般来说，如果一个程序能够运行于用户态，就应该让它运行在用户态。只在迫不得已的情况下，才让程序运行于内核态。凡是牵扯到计算机本体根本运行的事情都应该在内核态下执行，只与用户数据和应用相关的东西则放在用户态执行。另外，对时序要求特别高的操作，也应该在内核态完成。
• 那么什么样的功能应该在内核态下实现呢？
  首先，CPU的管理和内存管理都应该在内核态实现。这些功能可不可以在用户态下实现呢？当然能，但是不太安全。从保障计算机安全的角度来说，CPU和内存的管理必须在内核态实现。
• 诊断与测试程序也需要在内核态下实现。因为诊断和测试需要访问计算机的所有资源，否则怎么判断计算机是否正常呢？
  输入输出管理也一样，因为要访问各种设备和底层数据结构，所以也必须在内核态实现。
• 对于文件系统来说，则可以一部分放在用户态，一部分放在内核态。文件系统本身的管理，即文件系统的宏数据部分的管理必须放在内核态，否则任何人都可能破坏文件系统的结构；用户数据的管理则可以放在用户态。编译器、网络管理的部分功能、编辑器、用户程序等，自然都可以放在用户态下执行。
  
• 输入输出管理也一样，因为要访问各种设备和底层数据结构，所以也必须在内核态实现。对于文件系统来说，则可以一部分放在用户态，一部分放在内核态。文件系统本身的管理，即文件系统的宏数据部分的管理必须放在内核态，否则任何人都可能破坏文件系统的结构；用户数据的管理则可以放在用户态。编译器、网络管理的部分功能、编辑器、用户程序等，自然都可以放在用户态下执行。

态势的识别

那么计算机是如何知道现在正在运转的程序是内核态程序呢？

• 显然做出这种判断需要某种标志。这个标志就是处理器的一个状态位。这个状态位是CPU状态字里面的一个字位。也就是说，所谓的用户态、内核态实际上是处理器的一种状态，而不是程序的状态。我们通过设置该状态字，可以将CPU设置为内核态、用户态或者其他的子态（有的CPU有更多种子态）。一个程序运行时，CPU是什么态，这个程序就运行在什么态。

内核态与用户态的实现： 内核态是特权态，而用户态是普通态。

• 特权态下运行的程序可以访问任何资源，而用户态下的访问则受到限制。
• 要限制一个程序对资源的访问，需要对程序执行的每一条指令进行检查才能完成。而这种检查就是地址翻译。程序发出的每一条指令都要经过这个地址翻译过程。而通过对翻译的控制，就可以限制程序对资源的访问。
• 为了赋予内核态程序访问所有资源的权限，当系统处于内核态时，内核程序可以绕过内存地址翻译而直接执行特权指令。

04 用户态到内核态的转化原理

1）用户态切换到内核态的3种方式

1、系统调用

• 这是用户进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户进程通过系统调用申请操作系统提供的服务程序完成工作。而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，例如Linux的ine 80h中断。

2、异常

• 当CPU在执行运行在用户态的程序时，发现了某些事件不可知的异常，这是会触发由当前运行进程切换到处理此。异常的内核相关程序中，也就到了内核态，比如缺页异常。

3、外围设备的中断

• 当外围设备完成用户请求的操作之后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条将要执行的指令，转而去执行中断信号的处理程序，如果先执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了有用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。

2）切换操作

• 从出发方式看，可以在认为存在前述3种不同的类型，但是从最终实际完成由用户态到内核态的切换操作上来说，涉及的关键步骤是完全一样的，没有任何区别，都相当于执行了一个中断响应的过程，因为系统调用实际上最终是中断机制实现的，而异常和中断处理机制基本上是一样的，用户态切换到内核态的步骤主要包括：

1、从当前进程的描述符中提取其内核栈的ss0及esp0信息。
2、使用ss0和esp0指向的内核栈将当前进程的cs,eip，eflags，ss,esp信息保存起来，这个过程也完成了由用户栈找到内核栈的切换过程，同时保存了被暂停执行的程序的下一条指令。
3、将先前由中断向量检索得到的中断处理程序的cs，eip信息装入相应的寄存器，开始执行中断处理程序，这时就转到了内核态的程序执行了。