linux进程、线程及用户空间、内核空间的理解

以下资源为我学习的备忘录笔记形式，相关借鉴文档均附上了链接，如有描述不正确的希望可以及时提出，我们共同帮助进步。

进程：资源分配的最小单元，程序在操作系统中运行的实例

线程：最小调度单元

一个进程至少有一个线程或多个线程，一个线程只能属于一个进程，因为进程是最小的资源分配单元，所以线程不存在独立的地址空间，而是多个线程共享进程的独立运行空间，但是线程有自己的栈空间

进程空间理解：

j进程空间分为：代码区、数据区、堆区、栈区

linux的虚拟空4G，分为内核空间和用户空间，其中最开的（3G）0x00000000-0xBFFFFFFF为各个进程使用，也叫用户空间，最高处的（1G）0xC0000000-0xFFFFFFFF作为内核空间供内核使用,Linux内核空间由系统内的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟地址空间(也叫虚拟内存)。其中每个进程有各自的私有用户空间（0～3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。最高的1GB内核空间则为所有进程以及内核所共享。

• 用户进程通常情况下只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问内核空间的虚拟地址。例外情况只有用户进程进行系统调用（代表用户进程在内核态执行）等时刻可以访问到内核空间。
• 用户空间对应进程，所以每当进程切换，用户空间就会跟着变化；而内核空间是由内核负责映射，它并不会跟着进程变化，是固定的。内核空间地址有自己对应的页表，用户进程各自有不同的页表。
• 每个进程的用户空间都是完全独立、互不相干的。

从用户态进入到内核态有三种方式：系统调用、软中断和硬件中断

用户空间和内核空间的作用



linux 内核空间和用户空间

在 CPU 的所有指令中，有些指令是非常危险的，如果错用，将导致系统崩溃，比如清内存、设置时钟等。如果允许所有的程序都可以使用这些指令，那么系统崩溃的概率将大大增加。
所以，CPU 将指令分为特权指令和非特权指令，对于那些危险的指令，只允许操作系统及其相关模块使用，普通应用程序只能使用那些不会造成灾难的指令。比如 Intel 的 CPU 将特权等级分为 4 个级别：Ring0~Ring3。
其实 Linux 系统只使用了 Ring0 和 Ring3 两个运行级别(Windows 系统也是一样的)。当进程运行在 Ring3 级别时被称为运行在用户态，而运行在 Ring0 级别时被称为运行在内核态。

内核态与用户态
好了我们现在需要再解释一下什么是内核态、用户态：
当进程运行在内核空间时就处于内核态，而进程运行在用户空间时则处于用户态。
在内核态下，进程运行在内核地址空间中，此时 CPU 可以执行任何指令。运行的代码也不受任何的限制，可以自由地访问任何有效地址，也可以直接进行端口的访问。
在用户态下，进程运行在用户地址空间中，被执行的代码要受到 CPU 的诸多检查，它们只能访问映射其地址空间的页表项中规定的在用户态下可访问页面的虚拟地址，且只能对任务状态段(TSS)中 I/O 许可位图(I/O Permission Bitmap)中规定的可访问端口进行直接访问。

对于以前的 DOS 操作系统来说，是没有内核空间、用户空间以及内核态、用户态这些概念的。可以认为所有的代码都是运行在内核态的，因而用户编写的应用程序代码可以很容易的让操作系统崩溃掉。
对于 Linux 来说，通过区分内核空间和用户空间的设计，隔离了操作系统代码(操作系统的代码要比应用程序的代码健壮很多)与应用程序代码。即便是单个应用程序出现错误也不会影响到操作系统的稳定性，这样其它的程序还可以正常的运行(Linux是个多任务系统)。

所以，区分内核空间和用户空间本质上是要提高操作系统的稳定性及可用性。
 

涉及到物理地址和虚拟地址的区别及转化，建议查看链接：物理地址和虚拟地址的区别

内存空间的申请

用户空间 malloc申请，free释放

内核空间的申请 kmalloc  kzalloc vmalloc        

共同特点是：

• 用于申请内核空间的内存；
• 内存以字节为单位进行分配；
• 所分配的内存虚拟地址上连续；

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是：https://blog.csdn.net/stoic163/article/details/90691978

• kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc）
• kmalloc 分配的内存大小有限制（128KB），而 vmalloc 没有限制；
• kmalloc 可以保证分配的内存物理地址是连续的，但是 vmalloc 不能保证；
• kmalloc 分配内存的过程可以是原子过程（使用 GFP_ATOMIC），而 vmalloc 分配内存时则可能产生阻塞；
• kmalloc 分配内存的开销小，因此 kmalloc 比 vmalloc 要快

一般情况下，内存只有在要被 DMA 访问的时候才需要物理上连续，但为了性能上的考虑，内核中一般使用 kmalloc()，而只有在需要获得大块内存时才使用 vmalloc()。例如，当模块被动态加载到内核当中时，就把模块装载到由 vmalloc() 分配的内存上。