操作系统之内核态与用户态

看面经的是发现这个经常被问到，在这里记录一下。

首先要搞明白这个用户态和内核态作用的对象和他存在的意义。这个概念是针对CPU的状态的描述。在内核态可以执行一切特权代码，在用户态只能执行那些受限级别的代码。如果需要调用特权代码需要进行内核态切换。这个概念存在的本质意义是为了进行权限保护。限定用户的程序不能乱搞操作系统，如果人人都能任意读写任意地址空间软件管理就乱套了。在intel的设计下操作系统分为4个ring，分别是ring0，1，2，3。用户态的程序工作在3，内核态的程序处于0。

2. 用户态和内核态的转换

1）用户态切换到内核态的3种方式

a. 系统调用 (本质是内中断)

这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作，比如前例中fork()实际上就是执行了一个创建新进程的系统调用。而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，例如Linux的int 80h中断。

b. 异常 (是内中断)

当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。

c. 外围设备的中断 (是外中断)

当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。

这3种方式是系统在运行时由用户态转到内核态的最主要方式，其中系统调用可以认为是用户进程主动发起的，异常和外围设备中断则是被动的。CPU是怎么知道目前所处于的状态呢？这就要考PSW (Program Status Word)寄存器里的值来辨别。这三种状态切换本质都是走了中断处理流程。

至于从内核态切换到用户态则是通过设置PSW字段来进行转换。