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操作系统课后部分答案
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操作系统期末复习
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3.3 内核态和用户态
3.3 内核态和用户态
机械工业出版社
《计算机的心智：操作系统之哲学原理》第一篇 基础原理篇，本篇最为重要的核心思想是操作系统在计算机运行过程中扮演的角色：魔术师和管理者。本小节为大家介绍内核态和用户态。
3.3 内核态和用户态
就像世界上的人并不平等一样，并不是所有的程序都是平等的。世界上有的人占有资源多，有的人占有资源少，有的人来了，别人得让出资源，有的人则专门为别人让出资源。程序也是这样，有的程序可以访问计算机的任何资源，有的程序则只能访问非常受限的少量资源。而操作系统作为计算机的管理者，自然不能和被管理者享受一样的待遇，它应该享有更多的方便或特权。为了区分不用程序的不同权利，人们发胆了内核和用户态的概念。
那么什么是内核态，什么是用户态呢？只要想一想现实生活中，处于社会核心的人与处于社会边缘的人有什么区别就能明白处于核心的人拥有的资源多！因此，内核态就是拥有资源多的状态，或者说访问资源多的状态，我们也称之为特权态。相对来说，用户态就是非特权态，在此种状态下访问的资源将受到限制。如果一个程序运行在特权态，则该程序就可以访问计算机的任何资源，即它的资源访问权限不受限制。如果一个程序运行在用户态，则其资源需求将受到各种限制。
例如，如果要访问操作系统的内核数据结构，如进程表，则需要在特权态下才能办到。如果要访问用户程序里的数据，则在用户态下就可以了。
由于内核态的程序可以访问计算机的所有资源，这种程序的可靠性和安全性就显得十分重要。试想如果一个不可靠的程序在内核态下修改了操作系统的各种内核数据结构，结果会怎样呢？整个系统有可能崩溃。而运行于用户态的程序就比较简单了，如果其可靠性和安全性出了问题，其造成的损失只不过是让用户程序崩溃，而操作系统将继续运行。
很显然，内核态和用户态各有优势：运行在内核态的程序可以访问的资源多，但可靠性、安全性要求高，维护管理都较复杂；用户态程序访问的资源受限，但可靠性、安全性要求低，自然编写维护起来都较简单。一个程序到底应该运行在内核态还是用户态取决于其对资源和效率的需求。
一般来说，一个程序能够运行于用户态，就应该让它运行在用户态。只在迫不得已的情况下，才让程序运行于内核态。只要看看一个国家的治理就清楚了。我们拿什么标准来判断什么事情应该归国家领导管理。凡是牵扯到计算机本体根本运行的事情都应该在内核态下执行，只与用户数据和应用相关的东西则放在用户态执行。另外，对时序要求特别高的事情，也应该在内核态做。你有没有想过，国家领导出门怎么不塞车呢？
那么什么样的功能应该在内核态下实现呢？ 首先，CPU管理和内存管理都应该在内核态实现。这些功能可不可以在用户态下实现呢？当然能，但是不太安全。就像一个国家的军队（CPU和内存在计算机里的地位就相当于一个国家的军队的地位）交给老百姓来管一样，是非常危险的。所以从保障计算机安全的角度来说，CPU和内存的管理必须在内核态实现。
诊断与测试程序也需要在内核态下实现。因为诊断和测试需要访问计算机的所有资源，否则怎么判断计算机是否正常呢？就像中医治病，必须把脉触摸病人。你不让中医触摸，他怎么能看病呢（当然，很多人认为中医是伪科学，根本治不了病，本书对此问题不做讨论）？输入输出管理也一样，因为要访问各种设备和底层数据结构，也必须在内核态实现。
对于文件系统来说，则可以一部分放在用户态，一部分放在内核态。文件系统本身的管理，即文件系统的宏数据部分的管理，必须放在内核态，不然任何人都可能破坏文件系统的结构；而用户数据的管理，则可以放在用户态。编译器、网络管理的部分功能、编辑器用户程序，自然都可以放在用户态下执行。图3.8描述的是Windows操作系统的内核态与用户态的界线。
（点击查看大图）图3.8Windows操作系统的内核态与用户态的界线
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当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核运行态（或简称为内核态）。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。即此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。这与处于内核态的进程的状态有些类似。 内核态与用户态是操作系统的两种运行级别,跟intel cpu没有必然的联系, intel cpu提供Ring0-Ring3三种级别的运行模式，Ring0级别最高，Ring3最低。Linux使用了Ring3级别运行用户态，Ring0作为 内核态，没有使用Ring1和Ring2。Ring3状态不能访问Ring0的地址空间，包括代码和数据。Linux进程的4GB地址空间，3G-4G部 分大家是共享的，是内核态的地址空间，这里存放在整个内核的代码和所有的内核模块，以及内核所维护的数据。用户运行一个程序，该程序所创建的进程开始是运 行在用户态的，如果要执行文件操作，网络数据发送等操作，必须通过write，send等系统调用，这些系统调用会调用内核中的代码来完成操作，这时，必 须切换到Ring0，然后进入3GB-4GB中的内核地址空间去执行这些代码完成操作，完成后，切换回Ring3，回到用户态。这样，用户态的程序就不能 随意操作内核地址空间，具有一定的安全保护作用。至于说保护模式，是说通过内存页表操作等机制，保证进程间的地址空间不会互相冲突，一个进程的操作不会修改另一个进程的地址空间中的数据。
1. 用户态和内核态的概念区别
究竟什么是用户态，什么是内核态，这两个基本概念以前一直理解得不是很清楚，根本原因个人觉得是在于因为大部分时候我们在写程序时关注的重点和着眼的角度放在了实现的功能和代码的逻辑性上，先看一个例子：
void testfork(){
if(0 = = fork()){
printf(&create new process success!\n&);
printf(&testfork ok\n&);
void testfork(){
if(0 = = fork()){
printf(&create new process success!\n&);
printf(&testfork ok\n&);
这段代码很简单，从功能的角度来看，就是实际执行了一个fork()，生成一个新的进程，从逻辑的角度看，就是判断了如果fork()返回的是0则打印相关语句，然后函数最后再打印一句表示执行完整个testfork()函数。代码的执行逻辑和功能上看就是如此简单，一共四行代码，从上到下一句一句执行而已，完全看不出来哪里有体现出用户态和进程态的概念。
如果说前面两种是静态观察的角度看的话，我们还可以从动态的角度来看这段代码，即它被转换成CPU执行的指令后加载执行的过程，这时这段程序就是一个动态执行的指令序列。而究竟加载了哪些代码，如何加载就是和操作系统密切相关了。
熟悉Unix/Linux系统的人都知道，fork的工作实际上是以系统调用的方式完成相应功能的，具体的工作是由sys_fork负责实施。其实无论是不是Unix或者Linux，对于任何操作系统来说，创建一个新的进程都是属于核心功能，因为它要做很多底层细致地工作，消耗系统的物理资源，比如分配物理内存，从父进程拷贝相关信息，拷贝设置页目录页表等等，这些显然不能随便让哪个程序就能去做，于是就自然引出特权级别的概念，显然，最关键性的权力必须由高特权级的程序来执行，这样才可以做到集中管理，减少有限资源的访问和使用冲突。
特权级显然是非常有效的管理和控制程序执行的手段，因此在硬件上对特权级做了很多支持，就Intel x86架构的CPU来说一共有0~3四个特权级，0级最高，3级最低，硬件上在执行每条指令时都会对指令所具有的特权级做相应的检查，相关的概念有CPL、DPL和RPL，这里不再过多阐述。硬件已经提供了一套特权级使用的相关机制，软件自然就是好好利用的问题，这属于操作系统要做的事情，对于Unix/Linux来说，只使用了0级特权级和3级特权级。也就是说在Unix/Linux系统中，一条工作在0级特权级的指令具有了CPU能提供的最高权力，而一条工作在3级特权级的指令具有CPU提供的最低或者说最基本权力。
3）用户态和内核态
现在我们从特权级的调度来理解用户态和内核态就比较好理解了，当程序运行在3级特权级上时，就可以称之为运行在用户态，因为这是最低特权级，是普通的用户进程运行的特权级，大部分用户直接面对的程序都是运行在用户态；反之，当程序运行在0级特权级上时，就可以称之为运行在内核态。
虽然用户态下和内核态下工作的程序有很多差别，但最重要的差别就在于特权级的不同，即权力的不同。运行在用户态下的程序不能直接访问操作系统内核数据结构和程序，比如上面例子中的testfork()就不能直接调用sys_fork()，因为前者是工作在用户态，属于用户态程序，而sys_fork()是工作在内核态，属于内核态程序。
当我们在系统中执行一个程序时，大部分时间是运行在用户态下的，在其需要操作系统帮助完成某些它没有权力和能力完成的工作时就会切换到内核态，比如testfork()最初运行在用户态进程下，当它调用fork()最终触发sys_fork()的执行时，就切换到了内核态。
2. 用户态和内核态的转换
1）用户态切换到内核态的3种方式
a. 系统调用
这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作，比如前例中fork()实际上就是执行了一个创建新进程的系统调用。而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，例如Linux的int 80h中断。
当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。
c. 外围设备的中断
当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。
这3种方式是系统在运行时由用户态转到内核态的最主要方式，其中系统调用可以认为是用户进程主动发起的，异常和外围设备中断则是被动的。
2）具体的切换操作
从触发方式上看，可以认为存在前述3种不同的类型，但是从最终实际完成由用户态到内核态的切换操作上来说，涉及的关键步骤是完全一致的，没有任何区别，都相当于执行了一个中断响应的过程，因为系统调用实际上最终是中断机制实现的，而异常和中断的处理机制基本上也是一致的，关于它们的具体区别这里不再赘述。关于中断处理机制的细节和步骤这里也不做过多分析，涉及到由用户态切换到内核态的步骤主要包括：
[1] 从当前进程的描述符中提取其内核栈的ss0及esp0信息。
[2] 使用ss0和esp0指向的内核栈将当前进程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起来，这个
过程也完成了由用户栈到内核栈的切换过程，同时保存了被暂停执行的程序的下一
[3] 将先前由中断向量检索得到的中断处理程序的cs,eip信息装入相应的寄存器，开始
执行中断处理程序，这时就转到了内核态的程序执行了。}