5分钟搞懂用户态,内核态

1. 什么是用户态,内核态

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，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。

用户态，内核态是指程序所处的状态。我们写的一段程序，我们所写的这段程序在运行过程中，有可能处于用户态，也有可能处于内核态。可能在某一个时刻处于用户态，下一个时刻切换到内核态。

那么用户态在什么时候可以切换到内核态呢？是在满足什么条件的时候触发的呢？
那么这个触发条件就是我们的程序需要去申请外部资源的时候。那么外部资源到底指的是什么呢？比如说内存条，显卡，磁盘，声卡，网卡，usb, 主板上的外设，主板上的LED，都属于外部资源。
也就是当需要操作这些硬件的时候，都需要从用户态转为内核态。

2. 用户态切换到内核态的方式

• 系统调用，这个上面已经讲解过了，在我公众号之前的文章也有讲解过。其实系统调用本身就是中断，但是软件中断，跟硬中断不同。

• 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。

• 外设中断：当外设完成用户的请求时，会向CPU发送中断信号。

3. 系统调用

重点说一下系统调用，因为最常用的就是系统调用。 通过 man syscalls 可以获取所有的系统调用。包括5大类。

• 进程控制相关的， process control。指令:exit, fork

• 文件管理相关的， file system control。指令:chmod,chown,open

• 设备相关的， device control。指令:read,write

• 信息相关的，比如说要获取 cpu相关的信息等。指令:getcpu

• 通信相关的。比如说进程间的通信等。比如说管道就是一个系统调用。指令:pipe, mmap。

4. 内核态切换到用户态

就是当内核态的任务执行完毕的时候，就回切换为用户态。

5. 举几个例子

• 例如读写文件的时候，就会触发用户态到内核态的转换。这个时候会进行一个系统调用，（open/read/write）

• 申请内存。这里的内存指的是堆内存。c 语言中会调用 malloc 这个函数，但是并没有一个系统调用是 malloc。malloc 中会分为俩种系统调用，第一个是 brk. 第二种是通过 mmap. 在小于 128k 内存申请的时候会调用brk。brk 和 mmap 申请的是虚拟地址空间。它并没有申请到主存上的真正的物理内存空间。想要申请到真正的物理内存，那么就需要在第一次访问的时候，如果发现虚拟内存地址没有映射到物理内存地址，那么就会触发一个缺页中断。

总结

本篇文章，没有非常深入的Linux内核实现，只是从宏观的角度阐述了下。看完上面的文章，也能得出一点结论就是：系统调用真的开销蛮大的。涉及到上下文的切换。

鸣谢

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