如何從用戶空間進入內(nèi)核空間

其實所有的系統(tǒng)資源管理都是在內(nèi)核空間中完成的。比如讀寫磁盤文件，分配回收內(nèi)存，從網(wǎng)絡(luò)接口讀寫數(shù)據(jù)等等。

我們的應用程序是無法直接進行這樣的操作的。但是我們可以通過內(nèi)核提供的接口來完成這樣的任務(wù)。

比如應用程序要讀取磁盤上的一個文件，它可以向內(nèi)核發(fā)起一個 "系統(tǒng)調(diào)用" 告訴內(nèi)核："我要讀取磁盤上的某某文件"。

其實就是通過一個特殊的指令讓進程從用戶態(tài)進入到內(nèi)核態(tài)(到了內(nèi)核空間)，在內(nèi)核空間中，CPU 可以執(zhí)行任何的指令，當然也包括從磁盤上讀取數(shù)據(jù)。具體過程是先把數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)核空間中，然后再把數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間并從內(nèi)核態(tài)切換到用戶態(tài)。

此時應用程序已經(jīng)從系統(tǒng)調(diào)用中返回并且拿到了想要的數(shù)據(jù)，可以開開心心的往下執(zhí)行了。簡單說就是應用程序把高科技的事情(從磁盤讀取文件)外包給了系統(tǒng)內(nèi)核，系統(tǒng)內(nèi)核做這些事情既專業(yè)又高效。

對于一個進程來講，從用戶空間進入內(nèi)核空間并最終返回到用戶空間，這個過程是十分復雜的。舉個例子，比如我們經(jīng)常接觸的概念 "堆棧"，其實進程在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)各有一個堆棧。

運行在用戶空間時進程使用的是用戶空間中的堆棧，而運行在內(nèi)核空間時，進程使用的是內(nèi)核空間中的堆棧。所以說，Linux 中每個進程有兩個棧，分別用于用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。

下圖簡明的描述了用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的轉(zhuǎn)換：

既然用戶態(tài)的進程必須切換成內(nèi)核態(tài)才能使用系統(tǒng)的資源，那么我們接下來就看看進程一共有多少種方式可以從用戶態(tài)進入到內(nèi)核態(tài)。

概括的說，有三種方式：系統(tǒng)調(diào)用、軟中斷和硬件中斷。這三種方式每一種都涉及到大量的操作系統(tǒng)知識，所以這里不做展開。

整體結(jié)構(gòu)

接下來我們從內(nèi)核空間和用戶空間的角度看一看整個 Linux 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。它大體可以分為三個部分，從下往上依次為：硬件 -> 內(nèi)核空間 -> 用戶空間。如下圖所示(此圖來自互聯(lián)網(wǎng))：

在硬件之上，內(nèi)核空間中的代碼控制了硬件資源的使用權(quán)，用戶空間中的代碼只有通過內(nèi)核暴露的系統(tǒng)調(diào)用接口(System Call Interface)才能使用到系統(tǒng)中的硬件資源。其實，不光是 Linux，Windows 操作系統(tǒng)的設(shè)計也是大同小異。

實際上我們可以將每個處理器在任何指定時間點上的活動概括為下列三者之一：

• 運行于用戶空間，執(zhí)行用戶進程。
• 運行于內(nèi)核空間，處于進程上下文，代表某個特定的進程執(zhí)行。
• 運行于內(nèi)核空間，處于中斷上下文，與任何進程無關(guān)，處理某個特定的中斷。

以上三點幾乎包括所有的情況，比如當 CPU 空閑時，內(nèi)核就運行一個空進程，處于進程上下文，但運行在內(nèi)核空間。

說明：Linux 系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序不在進程的上下文中執(zhí)行，它們在一個與所有進程都無關(guān)的、專門的中斷上下文中執(zhí)行。

之所以存在一個專門的執(zhí)行環(huán)境，就是為了保證中斷服務(wù)程序能夠在第一時間響應和處理中斷請求，然后快速地退出。

總結(jié)

現(xiàn)代的操作系統(tǒng)大都通過內(nèi)核空間和用戶空間的設(shè)計來保護操作系統(tǒng)自身的安全性和穩(wěn)定性。所以在我們閱讀有關(guān)操作系統(tǒng)的資料時經(jīng)常遇到內(nèi)核空間、用戶空間和內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)等概念，希望本文能夠幫助您理解這些基本的概念。

參考：

1、https://www.cnblogs.com/Anker/p/3269106.html

2、https://blog.csdn.net/linux12121/article/details/52628941