lv13 内核与用户空间

一、内核空间和用户空间

为了彻底解决一个应用程序出错不影响系统和其它app的运行，操作系统给每个app一个独立的假想的地址空间，这个假想的地址空间被称为虚拟地址空间（也叫逻辑地址），操作系统也占用其中固定的一部分，32位Linux的虚拟地址空间大小为4G，并将其划分两部分：

1. 0~3G 用户空间 ：每个应用程序只能使用自己的这份虚拟地址空间

2. 3G~4G 内核空间：内核使用的虚拟地址空间，应用程序不能直接使用这份地址空间，但可以通过一些系统调用函数与其中的某些空间进行数据通信

实际内存操作时，需要将虚拟地址映射到实际内存的物理地址，然后才进行实际的内存读写

二、执行流

执行流：有开始有结束总体顺序执行的一段独立代码，又被称为代码上下文

计算机系统中的执行流的分类：

执行流：

1. 任务流--任务上下文（都参与CPU时间片轮转，都有任务五状态：就绪态 运行态 睡眠态 僵死态 暂停态）

   1. 进程

   2. 线程

      1. 内核线程：内核创建的线程

      2. 应用线程：应用进程创建的线程

2. 异常流--异常上下文

   1. 中断

   2. 其它异常

应用编程可能涉及到的执行流：

1. 进程

2. 线程

内核编程可能涉及到的执行流：

1. 应用程序自身代码运行在用户空间，处于用户态 ----------------- 用户态app

2. 应用程序正在调用系统调用函数，运行在内核空间，处于内核态，即代码是内核代码但处于应用执行流（即属于一个应用进程或应用线程） ---- 内核态app

3. 一直运行于内核空间，处于内核态，属于内核内的任务上下文 --------- 内核线程

4. 一直运行于内核空间，处于内核态，专门用来处理各种异常 --------- 异常上下文

三、模块编程与应用编程的比较

不同点	内核模块	应用程序
API来源	不能使用任何库函数	各种库函数均可以使用
运行空间	内核空间(3-4G)	用户空间(0-3G)
运行权限	特权模式运行	非特权模式运行
编译方式	静态编译进内核镜像或编译特殊的ko文件	elf格式的应用程序可执行文件
运行方式	模块中的函数在需要时被动调用	从main开始顺序执行
入口函数	init_module	main
退出方式	cleanup_module	main函数返回或调用exit
浮点支持	一般不涉及浮点运算，因此printk不支持浮点数据	支持浮点运算，printf可以打印浮点数据
并发考虑	需要考虑多种执行流并发的竞态情况	只需考虑多任务并行的竞态
程序出错	可能会导致整个系统崩溃	只会让自己崩溃

四、内核接口头文件查询

大部分API函数包含的头文件在include/linux目录下，因此：

1. 首先在include/linux 查询指定函数：grep 名称 ./ -r -n

2. 找不到则更大范围的include目录下查询，命令同上

示例：

五、练习

什么是内核空间什么是用户空间 他们之间怎么传递的？

 

0~3G 用户空间 ：每个应用程序只能使用自己的这份虚拟地址空间。非特权模式运行
3G~4G 内核空间：内核使用的虚拟地址空间，应用程序不能直接使用这份地址空间。特权模式运行

内核空间和用户空间之间进行数据传递，可以通过一些系统调用函数与其中的某些空间进行数据通信