究竟什么是用戶態(tài)，什么是內(nèi)核態(tài)，這兩個(gè)基本概念以前一直理解得不是很清楚，根本原因個(gè)人覺得是在于因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)候我們?cè)趯懗绦驎r(shí)關(guān)注的重點(diǎn)和著眼的角度放在了實(shí)現(xiàn)的功能和代碼的邏輯性上，先看一個(gè)例子：

1）例子

C代碼

1.     void testfork(){  

2.     if(0 = = fork()){  

3.     printf(“create new process success!\n”);  

4.     }  

5.     printf(“testfork ok\n”);  

6.     }  

這段代碼很簡(jiǎn)單，從功能的角度來看，就是實(shí)際執(zhí)行了一個(gè)fork()，生成一個(gè)新的進(jìn)程，從邏輯的角度看，就是判斷了如果fork()返回的是則打印相關(guān)語句，然后函數(shù)最后再打印一句表示執(zhí)行完整個(gè)testfork()函數(shù)。代碼的執(zhí)行邏輯和功能上看就是如此簡(jiǎn)單，一共四行代碼，從上到下一句一句執(zhí)行而已，完全看不出來哪里有體現(xiàn)出用戶態(tài)和進(jìn)程態(tài)的概念。

如果說前面兩種是靜態(tài)觀察的角度看的話，我們還可以從動(dòng)態(tài)的角度來看這段代碼，即它被轉(zhuǎn)換成CPU執(zhí)行的指令后加載執(zhí)行的過程，這時(shí)這段程序就是一個(gè)動(dòng)態(tài)執(zhí)行的指令序列。而究竟加載了哪些代碼，如何加載就是和操作系統(tǒng)密切相關(guān)了。

2）特權(quán)級(jí)

熟悉Unix/Linux系統(tǒng)的人都知道，fork的工作實(shí)際上是以系統(tǒng)調(diào)用的方式完成相應(yīng)功能的，具體的工作是由sys_fork負(fù)責(zé)實(shí)施。其實(shí)無論是不是Unix或者Linux， 對(duì)于任何操作系統(tǒng)來說，創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程都是屬于核心功能，因?yàn)樗龊芏嗟讓蛹?xì)致地工作，消耗系統(tǒng)的物理資源，比如分配物理內(nèi)存，從父進(jìn)程拷貝相關(guān)信 息，拷貝設(shè)置頁目錄頁表等等，這些顯然不能隨便讓哪個(gè)程序就能去做，于是就自然引出特權(quán)級(jí)別的概念，顯然，最關(guān)鍵性的權(quán)力必須由高特權(quán)級(jí)的程序來執(zhí)行，這 樣才可以做到集中管理，減少有限資源的訪問和使用沖突。

特權(quán)級(jí)顯然是非常有效的管理和控制程序執(zhí)行的手段，因此在硬件上對(duì)特權(quán)級(jí)做了很多支持，就Intel x86架構(gòu)的CPU來說一共有0~3四個(gè)特權(quán)級(jí)，級(jí)最高，3級(jí)最低，硬件上在執(zhí)行每條指令時(shí)都會(huì)對(duì)指令所具有的特權(quán)級(jí)做相應(yīng)的檢查，相關(guān)的概念有 CPL、DPL和RPL，這里不再過多闡述。硬件已經(jīng)提供了一套特權(quán)級(jí)使用的相關(guān)機(jī)制，軟件自然就是好好利用的問題，這屬于操作系統(tǒng)要做的事情，對(duì)于 Unix/Linux來說，只使用了級(jí)特權(quán)級(jí)和3級(jí)特權(quán)級(jí)。也就是說在Unix/Linux系統(tǒng)中，一條工作在級(jí)特權(quán)級(jí)的指令具有了CPU能提供的最高權(quán)力，而一條工作在3級(jí)特權(quán)級(jí)的指令具有CPU提供的最低或者說最基本權(quán)力。

3）用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)

現(xiàn)在我們從特權(quán)級(jí)的調(diào)度來理解用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)就比較好理解了，當(dāng)程序運(yùn)行在3級(jí)特權(quán)級(jí)上時(shí)，就可以稱之為運(yùn)行在用戶態(tài)，因?yàn)檫@是最低特權(quán)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)；反之，當(dāng)程序運(yùn)行在級(jí)特權(quán)級(jí)上時(shí)，就可以稱之為運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。

雖然用戶態(tài)下和內(nèi)核態(tài)下工作的程序有很多差別，但最重要的差別就在于特權(quán)級(jí)的不同，即權(quán)力的不同。運(yùn)行在用戶態(tài)下的程序不能直接訪問操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序，比如上面例子中的testfork()就不能直接調(diào)用 sys_fork()，因?yàn)榍罢呤枪ぷ髟谟脩魬B(tài)，屬于用戶態(tài)程序，而sys_fork()是工作在內(nèi)核態(tài)，屬于內(nèi)核態(tài)程序。

當(dāng)我們?cè)谙到y(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)幫助完成某些它沒有權(quán)力和能力完成的工作時(shí)就會(huì)切換到內(nèi)核態(tài)，比如testfork()最初運(yùn)行在用戶態(tài)進(jìn)程下，當(dāng)它調(diào)用fork()最終觸發(fā) sys_fork()的執(zhí)行時(shí)，就切換到了內(nèi)核態(tài)。

2. 用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換

1）用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的3種方式

a. 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，比如前例中fork()實(shí)際上就是執(zhí)行了一個(gè)創(chuàng)建新進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用。而系統(tǒng)調(diào)用的機(jī)制其核心還是使用了操作系統(tǒng)為用戶特別開放的一個(gè)中斷來實(shí)現(xiàn)，例如Linux的int 80h中斷。

b. 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)生了某些事先不可知的異常，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)程序中，也就轉(zhuǎn)到了內(nèi)核態(tài)，比如缺頁異常。

c. 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)行的指令轉(zhuǎn)而去執(zhí)行與中斷信號(hào)對(duì)應(yīng)的處理程序，如果先前執(zhí)行的指令是用戶態(tài)下的程序，那么這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程自然也就發(fā)生了由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。比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)行后續(xù)操作等。

這3種方式是系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)由用戶態(tài)轉(zhuǎn)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。

2）具體的切換操作

從觸發(fā)方式上看，可以認(rèn)為存在前述3種 不同的類型，但是從最終實(shí)際完成由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換操作上來說，涉及的關(guān)鍵步驟是完全一致的，沒有任何區(qū)別，都相當(dāng)于執(zhí)行了一個(gè)中斷響應(yīng)的過程，因?yàn)? 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)制基本上也是一致的，關(guān)于它們的具體區(qū)別這里不再贅述。關(guān)于中斷處理機(jī)制的細(xì)節(jié)和步驟這里也不 做過多分析，涉及到由用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的步驟主要包括：

[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，這個(gè)

過程也完成了由用戶棧到內(nèi)核棧的切換過程，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，開始