本篇內容介紹了“Linux用戶態(tài)和內核態(tài)怎么理解”的有關知識,在實際案例的操作過程中,不少人都會遇到這樣的困境,接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧!希望大家仔細閱讀,能夠學有所成!
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我們先來看一張Linux
整體架構圖。
系統(tǒng)調用時操作系統(tǒng)的最小功能單位。根據(jù)不同的應用場景,不同的Linux
發(fā)行版本提供的系統(tǒng)調用數(shù)量也不盡相同,大致在240-350之間。這些系統(tǒng)調用組成了用戶態(tài)跟內核態(tài)交互的基本接口,例如:用戶態(tài)想要申請一塊20K大小的動態(tài)內存,就需要brk系統(tǒng)調用,將數(shù)據(jù)段指針向下偏移,如果用戶態(tài)多處申請20K動態(tài)內存,同時又釋放呢?這個內存的管理就變得非常的復雜。
庫函數(shù)就是屏蔽這些復雜的底層實現(xiàn)細節(jié),減輕程序員的負擔,從而更加關注上層的邏輯實現(xiàn)。它對系統(tǒng)調用進行封裝,提供簡單的基本接口給用戶,這樣增強了程序的靈活性,當然對于簡單的接口,也可以直接使用系統(tǒng)調用訪問資源,例如:open()
,write()
,read()
等等。庫函數(shù)根據(jù)不同的標準也有不同的版本,例如:glibc
庫,posix
庫等。
Shell
顧名思義,就是外殼的意思。就好像把內核包裹起來的外殼。它是一種特殊的應用程序,俗稱命令行。為了方便用戶和系統(tǒng)交互,一般一個Shell
對應一個終端,呈現(xiàn)給用戶交互窗口。當然Shell
也是編程的,它有標準的shell
語法,符合其語法的文本叫Shell
腳本。很多人都會用Shell
腳本實現(xiàn)一些常用的功能,可以提高工作效率。
在CPU
的所有指令中,有一些指令是非常危險的,如果錯用,將導致整個系統(tǒng)崩潰。比如:清內存、設置時鐘等。如果所有的程序都能使用這些指令,那么你的系統(tǒng)一天死機N回就不足為奇了。所以,CPU
將指令分為特權指令和非特權指令,對于那些危險的指令,只允許操作系統(tǒng)及其相關模塊使用,普通的應用程序只能使用那些不會造成災難的指令。Intel
的CPU
將特權級別分為4個級別:RING0
、RING1
、RING2
、RING3
。
當一個任務(進程)執(zhí)行系統(tǒng)調用而陷入內核代碼中執(zhí)行時,我們就稱進程處于內核運行態(tài)(或簡稱為內核態(tài))。此時處理器處于特權級最高的(0級)內核代碼中執(zhí)行。
當進程處于內核態(tài)時,執(zhí)行的內核代碼會使用當前進程的內核棧。每個進程都有自己的內核棧。
當進程在執(zhí)行用戶自己的代碼時,則稱其處于用戶運行態(tài)(用戶態(tài))。即此時處理器在特權級最低的(3級)用戶代碼中運行。
當正在執(zhí)行用戶程序而突然被中斷程序中斷時,此時用戶程序也可以象征性地稱為處于進程的內核態(tài)。Linux
使用了Ring3
級別運行用戶態(tài),Ring0
作為 內核態(tài),沒有使用Ring1
和Ring2
。Ring3
狀態(tài)不能訪問Ring0
的地址空間,包括代碼和數(shù)據(jù)。Linux
進程的4GB
地址空間,3G-4G部分大家是共享的,是內核態(tài)的地址空間,這里存放在整個內核的代碼和所有的內核模塊,以及內核所維護的數(shù)據(jù)。用戶運行一個程序,該程序所創(chuàng)建的進程開始是運 行在用戶態(tài)的,如果要執(zhí)行文件操作,網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送等操作,必須通過write
,send
等系統(tǒng)調用,這些系統(tǒng)調用會調用內核中的代碼來完成操作,這時,必 須切換到Ring0
,然后進入3GB-4GB
中的內核地址空間去執(zhí)行這些代碼完成操作,完成后,切換回Ring3
,回到用戶態(tài)。
這樣,用戶態(tài)的程序就不能 隨意操作內核地址空間,具有一定的安全保護作用。
處理器總處于以下狀態(tài)中的一種:
1、內核態(tài),運行于進程上下文,內核代表進程運行于內核空間;
2、內核態(tài),運行于中斷上下文,內核代表硬件運行于內核空間;
3、用戶態(tài),運行于用戶空間。
從用戶態(tài)到內核態(tài)切換可以通過三種方式:
**系統(tǒng)調用:**這是用戶態(tài)進程主動要求切換到內核態(tài)的一種方式,用戶態(tài)進程通過系統(tǒng)調用申請使用操作系統(tǒng)提供的服務程序完成工作,比如前例中fork()實際上就是執(zhí)行了一個創(chuàng)建新進程的系統(tǒng)調用。而系統(tǒng)調用的機制其核心還是使用了操作系統(tǒng)為用戶特別開放的一個中斷來實現(xiàn),例如Linux的int 80h中斷。
**異常:**當CPU在執(zhí)行運行在用戶態(tài)下的程序時,發(fā)生了某些事先不可知的異常,這時會觸發(fā)由當前運行進程切換到處理此異常的內核相關程序中,也就轉到了內核態(tài),比如缺頁異常。
**外設中斷:**當外圍設備完成用戶請求的操作后,會向CPU發(fā)出相應的中斷信號,這時CPU會暫停執(zhí)行下一條即將要執(zhí)行的指令轉而去執(zhí)行與中斷信號對應的處理程序,如果先前執(zhí)行的指令是用戶態(tài)下的程序,那么這個轉換的過程自然也就發(fā)生了由用戶態(tài)到內核態(tài)的切換。比如硬盤讀寫操作完成,系統(tǒng)會切換到硬盤讀寫的中斷處理程序中執(zhí)行后續(xù)操作等。
這3種方式是系統(tǒng)在運行時由用戶態(tài)轉到內核態(tài)的最主要方式,其中系統(tǒng)調用可以認為是用戶進程主動發(fā)起的,異常和外圍設備中斷則是被動的。
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網(wǎng)頁題目:Linux用戶態(tài)和內核態(tài)怎么理解
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