linux网络：用户态以及内核态

学习linux网络编程的时候，经常看到用户态以及内核态，但是不是很理解，所以写个博客认真研究一番：

多数计算机有两种运行模式：内核态和用户态。 软件中最基础的部分是操作系统，它运行在内核态（也称管态、核心态）。在这个模式中，操作系统具有对所有硬件的完全访问权，可以执行机器能够运行的任何指令。软件的其余部分运行在用户态下。在用户态下，只使用了机器指令中的一个子集。特别地，那些会影响机器的控制或可进行IO操作的指令，在用户态中的程序里是禁止的。 ——整理自《现代操作系统》

从网上找了一个图

从图上我们可以看出来通过系统调用将Linux整个体系分为用户态和内核态（或者说内核空间和用户空间）。那内核态到底是什么呢？其实从本质上说就是我们所说的内核，它是一种特殊的软件程序，特殊在哪儿呢？控制计算机的硬件资源，例如协调CPU资源，分配内存资源，并且提供稳定的环境供应用程序运行。

内核态：cpu可以访问内存的所有数据，包括外围设备，例如硬盘，网卡，cpu也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。

用户态：只能受限的访问内存，且不允许访问外围设备，占用cpu的能力被剥夺，cpu资源可以被其他程序获取。

为什么要有用户态和内核态？

由于需要限制不同的程序之间的访问能力, 防止他们获取别的程序的内存数据, 或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, CPU划分出两个权限等级 -- 用户态和内核态。

 

用户态到内核态怎样切换？

往往我们的系统的资源是固定的，例如内存2G，CPU固定，磁盘2TB，网络接口固定。所以就需要操作系统对资源进行有效的利用。假设某个应用程序过分的访问这些资源，就会导致整个系统的资源被占用，如果不对这种行为进行限制和区分，就会导致资源访问的冲突。所以，Linux的设计的初衷：给不同的操作给与不同的“权限”。Linux操作系统就将权限等级分为了2个等级，分别就是内核态和用户态。

各位有没有发现，前面讲了这么多内核态和用户态什么不同，其实用一句话就能概括：它们权限不同。用户态的进程能够访问的资源受到了极大的控制，而运行在内核态的进程可以“为所欲为”。一个进程可以运行在用户态也可以运行在内核态，那它们之间肯定存在用户态和内核态切换的过程。打一个比方：C库接口malloc申请动态内存，malloc的实现内部最终还是会调用brk（）或者mmap（）系统调用来分配内存。

那为问题又来了，从用户态到内核态到底怎么进入？只能通过系统调用吗？还有其他方式吗？

从用户态到内核态切换可以通过三种方式：

1. 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。
2. 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。
3. 外设中断：当外设完成用户的请求时，会向CPU发送中断信号。

1. 用户态和内核态的概念区别

究竟什么是用户态，什么是内核态，这两个基本概念以前一直理解得不是很清楚，根本原因个人觉得是在于因为大部分时候我们在写程序时关注的重点和着眼的角度放在了实现的功能和代码的逻辑性上，先看一个例子：

1）例子

void testfork(){
if(0 = = fork()){
printf(“create new process success!\n”);
}
printf(“testfork ok\n”);
}

 

void testfork(){  
if(0 = = fork()){  
printf(“create new process success!\n”);  
}  
printf(“testfork ok\n”);  
}

这段代码很简单，从功能的角度来看，就是实际执行了一个fork()，生成一个新的进程，从逻辑的角度看，就是判断了如果fork()返回的是0则打印相关语句，然后函数最后再打印一句表示执行完整个testfork()函数。代码的执行逻辑和功能上看就是如此简单，一共四行代码，从上到下一句一句执行而已，完全看不出来哪里有体现出用户态和进程态的概念。

如果说前面两种是静态观察的角度看的话，我们还可以从动态的角度来看这段代码，即它被转换成CPU执行的指令后加载执行的过程，这时这段程序就是一个动态执行的指令序列。而究竟加载了哪些代码，如何加载就是和操作系统密切相关了。

 

2）特权级

熟悉Unix/Linux系统的人都知道，fork的工作实际上是以系统调用的方式完成相应功能的，具体的工作是由sys_fork负责实施。其实无论是不是Unix或者Linux，对于任何操作系统来说，创建一个新的进程都是属于核心功能，因为它要做很多底层细致地工作，消耗系统的物理资源，比如分配物理内存，从父进程拷贝相关信息，拷贝设置页目录页表等等，这些显然不能随便让哪个程序就能去做，于是就自然引出特权级别的概念，显然，最关键性的权力必须由高特权级的程序来执行，这样才可以做到集中管理，减少有限资源的访问和使用冲突。

特权级显然是非常有效的管理和控制程序执行的手段，因此在硬件上对特权级做了很多支持，就Intel x86架构的CPU来说一共有0~3四个特权级，0级最高，3级最低，硬件上在执行每条指令时都会对指令所具有的特权级做相应的检查，相关的概念有CPL、DPL和RPL，这里不再过多阐述。硬件已经提供了一套特权级使用的相关机制，软件自然就是好好利用的问题，这属于操作系统要做的事情，对于Unix/Linux来说，只使用了0级特权级和3级特权级。也就是说在Unix/Linux系统中，一条工作在0级特权级的指令具有了CPU能提供的最高权力，而一条工作在3级特权级的指令具有CPU提供的最低或者说最基本权力。

 

3）用户态和内核态

现在我们从特权级的调度来理解用户态和内核态就比较好理解了，当程序运行在3级特权级上时，就可以称之为运行在用户态，因为这是最低特权级，是普通的用户进程运行的特权级，大部分用户直接面对的程序都是运行在用户态；反之，当程序运行在0级特权级上时，就可以称之为运行在内核态。

虽然用户态下和内核态下工作的程序有很多差别，但最重要的差别就在于特权级的不同，即权力的不同。运行在用户态下的程序不能直接访问操作系统内核数据结构和程序，比如上面例子中的testfork()就不能直接调用sys_fork()，因为前者是工作在用户态，属于用户态程序，而sys_fork()是工作在内核态，属于内核态程序。

当我们在系统中执行一个程序时，大部分时间是运行在用户态下的，在其需要操作系统帮助完成某些它没有权力和能力完成的工作时就会切换到内核态，比如testfork()最初运行在用户态进程下，当它调用fork()最终触发sys_fork()的执行时，就切换到了内核态。

 

线程等待

说到线程等待，很快就会想到阻塞。但是，其实线程等待不一定是阻塞，还有可能是自旋。

要阻塞或唤醒一个线程，就会消耗较多的系统资源，因为这种操作是需要操作系统介入的，自然就会发生用户态和核心态之间的切换，就会消耗大量系统资源。当这种操作高频发生时，就会消耗大量的CPU处理时间。那么，有什么方案可以解决这种问题吗？有。方案是：让子弹飞一会儿。

假设A线程有对资源Z加锁，但此时发现资源Z已经被线程B锁定，此时，一种方案是A进入阻塞状态，等待B释放锁。但是，我们如果事先知道，线程B对资源Z的加锁状态持续时间很短，那么，A其实没必要阻塞，等一等就好了。类似于执行一段空循环。这样，就避免了线程的阻塞和唤醒，也就避免了用户态和内核态的切换。这就是自旋。当然，自旋也需要消耗一定的计算资源，但是比较阻塞来说，就要好太多了。当然，这种方案是基于B的加锁状态不会持续太久，且不会有太多线程同时竞争同一资源的场景下的。换句话说，是基于乐观锁而设计的。

参考：https://www.cnblogs.com/maxigang/p/9041080.html