用户态和内核态之间的关系。

一、 Unix/Linux的体系架构

如上图所示，从宏观上来看，Linux操作系统的体系结构分为用户态和内核态（或者用户空间和内核）。内核从本质上看是一种软件——控制计算机的硬件资源，并提高上层应用程序运行的环境。用户态即上层应用程序的活动空间，应用程序的执行必须依托于内核提供的资源，包括CPU资源、存储资源、I/O资源等。为了使上层应用能够访问到这些资源，内核必须为上层应用提供访问的接口：即系统调用。
系统调用是操作系统的最小功能单元，这些系统调用根据不同的应用场景可以进行扩展和参见，现在各种版本的Unix实现都提供了不同数量的系统调用，如Linux的不同版本提供了240-260个系统调用，FreeBSD大约提供了320个（reference：UNIX环境高级编程）。我们可以把系统调用看成是一种不能再简化的操作（类似于原子操作，但是不同概念），有人把它比作一个汉字的一个“笔画”，而一个“汉字”就代表一个上层应用，我觉得这个比喻非常贴切。因此，有时候如果要实现一个完整的汉字（给某个变量分配内存空间），就必须调用很多的系统调用。如果从实现者（程序员）的角度来看，这势必会加重程序员的负担，良好的程序设计方法是：重视上层的业务逻辑操作，而尽可能避免底层复杂的实现细节。库函数正式为了将程序员从复杂的细节中解脱出来而提出的一种有效的方法。它实现对系统调用的封装，将简单的业务逻辑接口呈现给用户，方便用户调用，从这个角度来看，库函数就像是组成汉字的“偏旁”。这样的一种组成方式极大增强了程序设计的灵活性，对于简单的操作，我们可以直接调用系统调用来访问资源，如“人”，对于复杂操作，我们借助于库函数来实现，如“仁”。显然，这样的库函数依据不同的标准也可以有不同的实现版本，如ISO C标准库，POSIX标准库等。
Shell是一个特殊的应用程序，俗称命令行，本质上是一个命令解释器，它下通系统调用，上通各种应用，通常充当着一种“胶水”的角色，来连接各个小功能程序，让不同程序能够以一个清晰的接口协同工作，从而增强各个程序的功能。同时，Shell是可编程的，它可以执行符合Shell语法的文本，这样的文本称为Shell脚本，通常短短的几行Shell脚本就可以实现一个非常大的功能，原因就是这些Shell语句通常都对系统调用做了一层封装。为了方便用户和系统交互，一般，一个Shell对应一个终端，终端是一个硬件设备，呈现给用户的是一个图形化窗口。我们通过这个窗口输入或者输出文本。这个文本直接传递给shell进行分析解释，然后执行。
　　总结一下，用户态的应用程序可以通过三种方式来访问内核态的资源：
1）系统调用
2）库函数
3）Shell脚本

二、用户态和内核态的切换
因为操作系统的资源是有限的，如果访问资源的操作过多，必然会消耗过多的资源，而且如果不对这些操作加以区分，很可能造成资源访问的冲突。所以，为了减少有限资源的访问和使用冲突，Unix/Linux的设计哲学之一就是：对不同的操作赋予不同的执行等级，这就是所谓的特权的概念。简单说就是有多大能力做多大的事，与系统相关的一些特别关键的操作必须由最高特权的程序来完成。Intel的X86架构的CPU提供了0到3四个特权级，数字越小，特权越高，Linux操作系统中主要采用了0和3两个特权级，分别对应的就是内核态和用户态。运行与用于用户态的进程可以执行的操作和访问的资源都会受到极大的限制，而运行在内核态的进程则可以执行任何操作并且在资源的使用上没有限制。很多程序开始时运行于用户态，但在执行的过程中，一些操作需要在内核权限下才能执行，它就涉及到一个从用户态切换到内核态的过程。比如C函数库中的内存分配函数malloc（），它具体是使用sbrk（）系统调用来分配内存，当malloc调用sbrk（）的时候就涉及一次从用户态到内核态的切换，类似的函数还有printf（），调用的是wirte（）系统调用来输出字符串，等等。
到底在什么情况下会发生从用户态到内核态的切换，一般存在以下三种情况：
1）系统调用。
2）异常事件：当CPU正在执行运行在用户态的程序时，突然发生某些预先不可知的异常事件，这个时候就会触发从当前用户态执行的进程转向内核态执行相关的异常事件，典型的如缺页异常。
3）外围设备的中断：当外围设备完成用户的请求操作后，会像CPU发出中断信号，此时，CPU就会暂停执行下一条即将要执行的指令，转而去执行中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是在用户态下，则自然就发生从用户态到内核态的转换。

三、自己的理解、总结。
内核态拥有计算机所有的硬件资源，而用户态只拥有属于自己的一块内存区域，当应用程序需要使用系统资源时，就必须向内核申请，在内核态执行这些命令。

转载自：https://www.cnblogs.com/bakari/p/5520860.html