内核态与用户态

【简述】
    内核态（Kernel Mode） 和 用户态（User Mode） 实际上是指 2 种不同的访问权限。
    x86处理器包含 4 个不同的特权等级，分别是 Ring0~Ring3。Ring0下，可以执行特权级指令，对任何 I/O 设备都有访问权限，Ring3则被限制很多操作。
    在使用 x86处理器的设备上，用户代码运行在 Ring3，系统内核代码运行在 Ring0。

【区别】
    内核态：CPU可以访问内存所有数据，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。

【划分原因】
    防止进程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。

【状态切换】
    有 3种方式可以实现状态的切换。
    1、系统调用：
    所有用户程序都运行在用户态，当要进行从键盘输入数据或从硬盘读取数据这些内核态操作时，需要向操作系统请求以程序的身份执行这些操作。
    这时用户态程序切换到内核态，但是不能控制在内核态中执行的指令。
    这个过程称作系统调用，在CPU中的实现称之为陷阱指令（Trap Instruction）。
    2、外围设备中断：
    CPU接收到中断信号时会暂停执行当前命令，转而执行中断信号对应的处理程序。
    因为中断的处理属于内核态，如果CPU在处理中断前处于用户态，那么将发生状态切换。
    典型的例子是硬盘读写。
    3、异常：
    CPU在用户态下运行程序时发生了异常，会转到一个处理异常的内核相关程序中，也会导致用户态到内核态的转换。
    比如，缺页异常。

【执行步骤】
    1、用户态程序将一些数据值放在寄存器中，或者使用参数创建一个栈帧（Stack Frame）。这些数据说明了需要操作系统提供的服务。
    2、用户态程序执行陷阱指令。
    3、CPU切换到内核态开始执行位于内存指定位置的指令。这些指令属于操作系统的一部分，具有内存保护，不可被用户程序访问。
    4、这些指定位置上的指令被称为陷阱（Trap）或者系统调用句柄（System Call Handler）。她们会读取程序放入内存的数据参数并执行程序请求任务。
    5、系统调用完成后，操作系统会重置CPU为用户态并将系统调用的结果返回。