Linux用戶模式和內(nèi)核模式

MS-DOS等操作系統(tǒng)在單一的CPU模式下運(yùn)行，但是一些類Unix的操作系統(tǒng)則使用了雙模式，可以有效地實(shí)現(xiàn)時(shí)間共享。在Linux機(jī)器上，CPU要么處于受信任的內(nèi)核模式，要么處于受限制的用戶模式。除了內(nèi)核本身處于內(nèi)核模式以外，所有的用戶進(jìn)程都運(yùn)行在用戶模式之中。

內(nèi)核模式的代碼可以無限制地訪問所有處理器指令集以及全部?jī)?nèi)存和I/O空間。如果用戶模式的進(jìn)程要享有此特權(quán)，它必須通過系統(tǒng)調(diào)用向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序或其他內(nèi)核模式的代碼發(fā)出請(qǐng)求。另外，用戶模式的代碼允許發(fā)生缺頁，而內(nèi)核模式的代碼則不允許。

在2.4和更早的內(nèi)核中，僅僅用戶模式的進(jìn)程可以被上下文切換出局，由其他進(jìn)程搶占。除非發(fā)生以下兩種情況，否則內(nèi)核模式代碼可以一直獨(dú)占CPU:

(1) 它自愿放棄CPU;

(2) 發(fā)生中斷或異常。

2.6內(nèi)核引入了內(nèi)核搶占，大多數(shù)內(nèi)核模式的代碼也可以被搶占。

下面是從網(wǎng)上貼過來的，可能說的更明白一些。

一、內(nèi)核空間和用戶空間

Linux簡(jiǎn)化了分段機(jī)制，使得虛擬地址與線性地址總是一致，因此，Linux的虛擬地址空間也為0~ 4G.Linux內(nèi)核將這4G字節(jié)的空間分為兩部分。將最高的1G字節(jié)(從虛擬地址0xC0000000到0xFFFFFFFF)，供內(nèi)核使用，稱為內(nèi)核空間.而將較低的3G字節(jié)(從虛擬地址0x00000000到0xBFFFFFFF)，供各個(gè)進(jìn)程使用，稱為用戶空間)。因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程可以通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核，因此，Linux內(nèi)核由系統(tǒng)內(nèi)的所有進(jìn)程共享。于是，從具體進(jìn)程的角度來看，每個(gè)進(jìn)程可以擁有4G字節(jié)的虛擬空間。

二、內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)

當(dāng)一個(gè)任務(wù)(進(jìn)程)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時(shí)，我們就稱進(jìn)程處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)(或簡(jiǎn)稱為內(nèi)核態(tài))。此時(shí)處理器處于特權(quán)級(jí)最高的(0級(jí))內(nèi)核代碼中執(zhí)行。當(dāng)進(jìn)程處于內(nèi)核態(tài)時(shí)，執(zhí)行的內(nèi)核代碼會(huì)使用當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)核棧。每個(gè)進(jìn)程都有自己的內(nèi)核棧。當(dāng)進(jìn)程在執(zhí)行用戶自己的代碼時(shí)，則稱其處于用戶運(yùn)行態(tài)(用戶態(tài))。即此時(shí)處理器在特權(quán)級(jí)最低的(3級(jí))用戶代碼中運(yùn)行。當(dāng)正在執(zhí)行用戶程序而突然被中斷程序中斷時(shí)，此時(shí)用戶程序也可以象征性地稱為處于進(jìn)程的內(nèi)核態(tài)。因?yàn)橹袛嗵幚沓绦驅(qū)⑹褂卯?dāng)前進(jìn)程的內(nèi)核棧。這與處于內(nèi)核態(tài)的進(jìn)程的狀態(tài)有些類似。

三、進(jìn)程上下文和中斷上下文

處理器總處于以下狀態(tài)中的一種：

1、內(nèi)核態(tài)，運(yùn)行于進(jìn)程上下文，內(nèi)核代表進(jìn)程運(yùn)行于內(nèi)核空間;

2、內(nèi)核態(tài)，運(yùn)行于中斷上下文，內(nèi)核代表硬件運(yùn)行于內(nèi)核空間;

3、用戶態(tài)，運(yùn)行于用戶空間。

用戶空間的應(yīng)用程序，通過系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)入內(nèi)核空間。這個(gè)時(shí)候用戶空間的進(jìn)程要傳遞很多變量、參數(shù)的值給內(nèi)核，內(nèi)核態(tài)運(yùn)行的時(shí)候也要保存用戶進(jìn)程的一些寄存器值、變量等。所謂的進(jìn)程上下文,可以看作是用戶進(jìn)程傳遞給內(nèi)核的這些參數(shù)以及內(nèi)核要保存的那一整套的變量和寄存器值和當(dāng)時(shí)的環(huán)境等。

硬件通過觸發(fā)信號(hào)，導(dǎo)致內(nèi)核調(diào)用中斷處理程序，進(jìn)入內(nèi)核空間。這個(gè)過程中，硬件的一些變量和參數(shù)也要傳遞給內(nèi)核，內(nèi)核通過這些參數(shù)進(jìn)行中斷處理。所謂的中斷上下文,其實(shí)也可以看作就是硬件傳遞過來的這些參數(shù)和內(nèi)核需要保存的一些其他環(huán)境(主要是當(dāng)前被打斷執(zhí)行的進(jìn)程環(huán)境)。