linux用户态和内核态的转换
电子科技大学 UNIX_Linux操作系统内核结构6章
一个进程的上下文包括五个方面： ①、被进程正文所定义的进程状态 ②、进程所使用的全局变量和数据结构的值 ③、机器寄存器的值 ④、进程表项proc结构和user结构中的值 ⑤、用户堆栈和核心堆栈中的值
“执行一个进程”——指系统在该进程的上下文中执行， 也就是进程的上下文确定和限制了进程的运行环境和空间。
可以随进程状态的变化而在内外存之间交换的进程控制信 息中的其余部分。
为了方便进程映像在内外之间交换，UNIX系统中把进程非 常驻内存部分作为一个整体，占用连续的存贮区，其顺序是： 首先是user结构（进程扩充控制块）和核心栈，然后是数据段 和用户栈。
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进程user结构和核心栈合并构成进程的“本进程数据区— —ppda区（per process data area）。
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在进程映像占用的内存被分配给其他进程之前，不但该进 程的程序和数据需要调出内存，该进程的控制信息也被调出内 存。但为了该进程能够再次被调入内存，内存中需要保留一部 分必要的信息，这就把进程控制信息也分成了常驻内存和非常 驻内存两部分： 常驻内存控制信息块
是系统需要经常查询以及恢复整个进程映象时所不可缺少 的信息。 非常驻内存控制信息块
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3、进程的解释
在UNIX系统中进程的概念包含什么意义？
在较高级的方面 进程是一个重要的组织概念。可以把计算机系统看作是若
干进程组合的活动。进程是系统中活动的实体，它可以生成和 消灭，申请和释放资源，可以相互合作和竞争，而真正活动的 部件如处理机和外部设备则是看不见的。
在较低级方面 进程是不活动的实体，而处理机则是活动的，处理机的任
核心从一个进程转到另一个进程执行时，叫做“上下文切
换”，也就是系统从一个进程上下文确定的环境换到另一个进
什么是Linux内核空间与用户空间
本文以32位系统为例介绍内核空间(ker n el s pa ce)和用户空间(u se r sp ac e)。
内核空间和用户空间对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟地址空间，或叫线性地址空间）为4G（2的32次方）。
也就是说一个进程的最大地址空间为4G。
操作系统的核心是内核(ke rn el)，它独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。
为了保证内核的安全，现在的操作系统一般都强制用户进程不能直接操作内核。
具体的实现方式基本都是由操作系统将虚拟地址空间划分为两部分，一部分为内核空间，另一部分为用户空间。
针对Li nu x 操作系统而言，最高的1G 字节(从虚拟地址0x C0000000到0xF F FF FF FF)由内核使用，称为内核空间。
而较低的 3G字节(从虚拟地址0x00000000到0xB F FF FF FF)由各个进程使用，称为用户空间。
对上面这段内容我们可以这样理解：「每个进程的 4G 地址空间中，最高1G 都是一样的，即内核空间。
只有剩余的 3G 才归进程自己使用。
」「换句话说就是，最高1G 的内核空间是被所有进程共享的！」下图描述了每个进程4G 地址空间的分配情况：为什么需要区分内核空间与用户空间在CP U 的所有指令中，有些指令是非常危险的，如果错用，将导致系统崩溃，比如清内存、设置时钟等。
如果允许所有的程序都可以使用这些指令，那么系统崩溃的概率将大大增加。
所以，C PU将指令分为特权指令和非特权指令，对于那些危险的指令，只允许操作系统及其相关模块使用，普通应用程序只能使用那些不会造成灾难的指令。
比如I nt el 的C PU将特权等级分为4个级别：R in g0~Ri n g3。
其实 L in ux系统只使用了Ri ng0 和Ri n g3两个运行级别(W in do ws系统也是一样的)。
当进程运行在 R in g3级别时被称为运行在用户态，而运行在R i ng0 级别时被称为运行在内核态。
Linux用户态与内核态的交互
Linux 用户态与内核态的交互Linux用户态与内核态的交互2010-06-13 22：30Linux用户态与内核态的交互在Linux 2.4版以后版本的内核中，几乎全部的中断过程与用户态进程的通信都是使用netlink套接字实现的，例如iprote2网络管理工具，它与内核的交互就全部使用了netlink，著名的内核包过滤框架Netfilter在与用户空间的通读，也在最新版本中改变为netlink，无疑，它将是Linux用户态与内核态交流的主要方法之一。
它的通信依据是一个对应于进程的标识，一般定为该进程的ID。
当通信的一端处于中断过程时，该标识为0。
当使用netlink套接字进行通信，通信的双方都是用户态进程，则使用方法类似于消息队列。
但通信双方有一端是中断过程，使用方法则不同。
netlink套接字的最大特点是对中断过程的支持，它在内核空间接收用户空间数据时不再需要用户自行启动一个内核线程，而是通过另一个软中断调用用户事先指定的接收函数。
《UNIX Network Programming Volume 1-3rd Edition》第18章讲到BSD UNIX系统中routing socket的应用，这种套接字是按下面方式生成的：rt_socket=socket(AF_ROUTE,SOCK_RAW,0)；然后就可以用它跟内核交互，进行网络环境管理的操作，如读取/设置/删除路由表信息，更改网关等等，但书中所列代码只在4.3BSD及以后版本的原始UNIX系统下可用，Linux虽然实现了AF_ROUTE族套接字，但用法却完全不同。
由于网上这方面知识的资料想对匮乏，现对Linux下routing socket的使用做一介绍。
由于我现在在MagicLinux1.0下工作，所以以下的讲解全部基于2.4.10内核。
Linux从v2.2开始引入这一机制，因此可以肯定从v2.2到v2.4的内核都是适用的，更新的v2.6我没有试过。
用户态到内核态的转化原理
用户态到内核态的转化原理用户态到内核态的转化是操作系统内核完成的一个重要任务，涉及到许多复杂的机制与过程，以实现用户程序从用户模式转变到内核模式的转化过程。
首先，用户态到内核态的转化过程需要处理器和内存管理单元等硬件设备的支持。
处理器提供了中断机制来辅助这个过程，这也是处理器管理进程和线程发生切换的基础。
首先处理器能够字段不同级别的中断，最重要的就是系统调用中断，在用户空间可以调用syscalls API来实现，当调用该函数时将产生一个中断，这个中断可能会触发内核态代码的调用，将进程从用户空间转变到内核空间。
其次，内核会根据每个不同的系统调用分支出不同的控制路径，每个控制路径会进行实际的系统调用处理，以满足用户的所有需求。
任何用户空间的系统调用都会引起内核态的进程切换，此过程可以看作是用户态和内核态之间的转换。
最后，在内核态运行时，操作系统会检查系统调用的参数，如果参数正确就会访问设备，如果设备可用就会根据需要访问内存，间接
实现用户态到内核态的转化。
最终，内核根据AIEO(前言-检查-执行-
返回)的机制来检查和完成系统调用，然后将用户空间的程序环境保存，返回到用户空间，让用户程序继续执行。
总而言之，用户态到内核态的转换过程是处理器和内存管理单元
等硬件设备通过中断机制，来通过进程和线程的切换，并调用系统调
用API函数收集必要信息，同时切换程序的运行状态到内核态，然后
依照AIEO的机制来完成系统调用的处理，最后再将用户程序的运行状
态从内核态重新切换到用户态，完成用户态到内核态的转换过程。
操作系统面试题目(3篇)
第1篇一、操作系统概述1. 请简述操作系统的功能和作用。
2. 操作系统有哪些类型？请举例说明。
3. 请解释单用户操作系统和多用户操作系统的区别。
4. 请简述实时操作系统的特点和适用场景。
5. 请解释分时操作系统和实时操作系统的区别。
二、进程与线程1. 请解释进程和线程的概念，并说明它们之间的关系。
2. 请简述进程的状态及其转换过程。
3. 请解释进程同步和互斥的概念，并举例说明。
4. 请解释线程的调度策略，如先来先服务、时间片轮转等。
5. 请说明进程和线程在资源分配、调度等方面的区别。
三、内存管理1. 请解释虚拟内存的概念及其作用。
2. 请简述内存分配算法，如固定分区、动态分区、分页等。
3. 请解释页面置换算法，如FIFO、LRU、LFU等。
4. 请说明内存碎片的概念及其解决方法。
5. 请解释内存映射的概念及其应用。
四、文件系统1. 请解释文件系统的概念及其作用。
2. 请简述文件系统的分类，如顺序文件系统、索引文件系统等。
3. 请解释文件的存储结构，如链表、树、哈希表等。
4. 请解释文件系统的磁盘调度算法，如先来先服务、最短寻道时间优先等。
5. 请解释RAID技术及其不同级别。
五、设备管理1. 请解释设备管理的概念及其作用。
2. 请简述设备驱动程序的概念及其作用。
3. 请解释中断处理的过程。
4. 请解释DMA的概念及其特点。
5. 请解释I/O控制方式，如程序直接控制方式、中断驱动方式、直接存储器访问方式等。
六、进程调度1. 请解释进程调度的概念及其作用。
2. 请简述进程调度算法，如先来先服务、短作业优先、时间片轮转等。
3. 请解释调度算法的评价指标，如响应时间、吞吐量、周转时间等。
4. 请解释多级反馈队列调度算法。
5. 请解释多处理器调度算法。
七、并发与并行1. 请解释并发和并行的概念及其区别。
2. 请简述进程同步和互斥的方法，如临界区、互斥量、信号量等。
3. 请解释死锁的概念、产生条件、避免和解决方法。
用户态和内核态
⽤户态和内核态内核态：cpu可以访问内存的所有数据，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。
为什么要有⽤户态和内核态？由于需要限制不同的程序之间的访问能⼒, 防⽌他们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, CPU划分出两个权限等级 -- ⽤户态和内核态。
⽤户态与内核态的切换所有⽤户程序都是运⾏在⽤户态的, 但是有时候程序确实需要做⼀些内核态的事情, 例如从硬盘读取数据, 或者从键盘获取输⼊等. ⽽唯⼀可以做这些事情的就是操作系统, 所以此时程序就需要先操作系统请求以程序的名义来执⾏这些操作.这时需要⼀个这样的机制: 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种机制叫系统调⽤, 在CPU中的实现称之为陷阱指令(Trap Instruction)他们的⼯作流程如下: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堆栈(stack frame), 以此表明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, 并跳到位于内存指定位置的指令, 这些指令是操作系统的⼀部分, 他们具有内存保护, 不可被⽤户态程序访问4. 这些指令称之为陷阱(trap)或者系统调⽤处理器(system call handler). 他们会读取程序放⼊内存的数据参数, 并执⾏程序请求的服务5. 系统调⽤完成后, 操作系统会重置CPU为⽤户态并返回系统调⽤的结果当⼀个任务（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）。
linux内核态与用户态通讯方式-guolele
内核态与用户态通讯方式主要有几种：1、procfs2、系统调用(syscall)3、netlink4、mmap5、驱动文件，统一APIproc 文件系统特点：虚拟文件系统，提供一种便捷的用户和内核间的交互方式，一般用于调试日志以及配置参数缺点：不够实时，无法传输大数据量使用：创建proc文件驱动，然后像操作文件一样操作，驱动负责解析应用层的read write 请求mmap特点：直接用户空间与内核空间映射，直接操作，无需拷贝，可传输数据量大，实时性好。
缺点：没有专门同步机制，需要配合别的操作使用，简单数据量不使用此方法，过于复杂使用：字符或者块设备驱动将内核空间地址提供mmap映射，此内核空间可在uboot中预留大空间，也可使用kmalloc(转小，连续物理内存) vmalloc(较大，连续虚拟内存，物理不连续)创建在Linux内核中, kmalloc能够分配的最大连续内存为2的(MAX_ORDER-1)次方个page(参见alloc_pages函数, "if (unlikely(order >= MAX_ORDER)) return NULL;"), page的大小一般是4K bytes, MAX_ORDER缺省定义为11, 所以如果不修改内核, kmalloc能够分配的最大连续内存一般是4M bytes.vmalloc 一般用于将非连续物理内存映射成连续虚拟内存空间以便普通使用，也有预留于超大内存>8GB，使用内核参数vmalloc=xxxM来将超大的空间用起来，64bit不存在这个问题了。
内核启动参数传递"mem="参数, 如"mem=80M", 预留部分内存; 然后通过request_mem_region和ioremap_nocache将预留的内存映射到模块中. 需要修改内核启动参数, 无需重新编译内核. 但这种方法不支持x86架构, 只支持ARM, PowerPC等非x86架构. request_mem_region只为了显示在/proc/iomem，只为了显示，不用也能正常用。
操作系统中的用户态与内核态通信机制
操作系统中的用户态与内核态通信机制操作系统是计算机系统中的核心组件，负责管理计算机硬件资源以及提供各种服务和功能。
在操作系统中，存在着用户态和内核态的不同运行状态，用户态与内核态之间的通信机制是保证系统正常运行的关键之一。
本文将深入探讨操作系统中的用户态与内核态通信机制。
一、用户态与内核态概述在操作系统中，进程可以运行在用户态或者内核态。
用户态是指进程运行在一个受限环境中，只能访问受限的资源，例如用户自身的存储空间和部分设备。
而内核态是指进程处于操作系统的特权级别，可以访问系统的所有资源和功能。
用户态和内核态的切换是通过操作系统的内核来实现的。
二、用户态与内核态通信机制用户态与内核态之间的通信机制是操作系统中至关重要的一部分。
下面将介绍几种常见的用户态与内核态通信机制。
1. 系统调用系统调用是用户态程序访问内核态的主要方式。
通过系统调用，用户态程序可以请求内核提供特定的功能和服务。
用户态程序通过将系统调用的参数传递给指定的系统调用函数，并通过软中断或者异常的方式切换到内核态执行相应的内核函数。
执行完内核函数后，再切换回用户态继续执行用户态程序的指令。
2. 中断中断是计算机系统中一种重要的事件响应机制，操作系统通过处理中断来响应外部设备的请求和系统状态的变化。
中断可以触发用户态程序从用户态切换到内核态。
当发生中断请求时，CPU会中断当前正在执行的程序，然后跳转到内核态执行相应的中断处理程序。
中断处理程序完成后，再切换回用户态继续执行被中断的程序。
3. 异常异常与中断类似，都是由于某种事件的发生而导致CPU从当前任务转移到内核态的一种机制。
与中断不同的是，异常是由当前任务的执行引起的，可以看作是一种程序执行中的错误或者异常情况。
常见的异常包括除零错误、页错误、非法指令等。
当异常发生时，CPU会暂停当前的任务，跳转到内核态执行相应的异常处理程序。
异常处理程序完成后，再切换回用户态继续执行被中断的程序。
从用户态转换到核心态的途径
从用户态转换到核心态的途径从用户态转换到核心态，是指从用户态进程切换到核心态执行特权指令的过程。
在操作系统中，核心态是操作系统内核执行的特权级别，可以执行所有的指令和访问所有的资源，而用户态是普通应用程序执行的权限级别，受到操作系统的保护限制，不能直接访问底层硬件资源。
用户态和核心态的切换是操作系统中非常重要的机制，它可以保障操作系统的安全性和稳定性。
下面将介绍几种常见的从用户态转换到核心态的途径。
1. 系统调用（System Call）：系统调用是用户态进程通过软中断让操作系统内核执行特权指令的一种方式。
用户态进程通过调用特定的系统调用接口，将请求传递给操作系统内核，内核在核心态执行相应的操作，然后将结果返回给用户态进程。
系统调用是用户态进程访问操作系统内核的主要方式，例如文件操作、网络通信等。
2. 异常（Exception）：异常是由当前执行的指令引发的事件，需要操作系统内核处理的情况。
例如，访问非法内存地址、除零错误等。
当发生异常时，操作系统会将处理器从用户态切换到核心态，并执行相应的异常处理程序。
异常处理程序可以根据具体的异常类型进行处理，例如修复错误、终止进程等。
3. 中断（Interrupt）：中断是由外部设备触发的事件，需要操作系统内核处理的情况。
例如，硬件设备完成数据传输、定时器中断等。
当发生中断时，操作系统会将处理器从用户态切换到核心态，并执行相应的中断处理程序。
中断处理程序可以根据不同的中断类型进行相应的处理，例如读取数据、发送数据等。
4. 缺页异常（Page Fault Exception）：缺页异常是用户态进程访问虚拟内存中未加载到物理内存的页面时触发的异常。
当发生缺页异常时，操作系统会将处理器从用户态切换到核心态，并根据页面置换算法将相应的页面加载到物理内存中，然后将控制权返回给用户态进程继续执行。
5. 系统陷阱（System Trap）：系统陷阱是用户态进程通过软中断主动请求操作系统内核执行特权指令的一种方式。
Linux系统用户态和内核态
Linux 系统⽤户态和内核态Unix/Linux 的体系架构如上图所⽰，从宏观上来看，Linux 操作系统的体系架构分为⽤户态和内核态（或者⽤户空间和内核空间）。
内核从本质上看是⼀种软件-----控制计算机的硬件资源，并提供上层应⽤程序运⾏的环境。
⽤户态即上层应⽤程序的活动空间，应⽤程序的执⾏必须依托于内核提供的资源，包括CPU 资源、存储资源、I/O 资源等。
为了使上层应⽤能够访问到这些资源，内核必须为上层应⽤提供访问的接⼝:。
简单来说：：运⾏在内核空间的进程的状态：运⾏在⽤户空间的进程的状态系统调⽤是操作系统的最⼩功能单位，这些系统调⽤根据不同的应⽤场景可以进⾏扩展和裁剪，现在各种版本的Unix 实现都提供了不同数量的系统调⽤，如Linux 的不同版本提供了240-260个系统调⽤，FreeBSD ⼤约提供了320个。
我们可以把系统调⽤看成是⼀种不能再化简的操作（类似于原⼦操作，但是不同概念），有⼈把它⽐作⼀个汉字的⼀个“笔画”，⽽⼀个“汉字”就代表⼀个上层应⽤，我觉得这个⽐喻⾮常贴切。
⼀个汉字有很多笔画组成，因此有时候如果要实现⼀个完整的汉字就必须调⽤很多的系统调⽤。
这有时是⼀件很崩溃的事情,⽐如说这个字，你可能认识，但是有⼏个⼈会写呢？：系统调⽤的封装应⽤程序直接使⽤系统调⽤，这势必会加重程序员的负担，良好的程序设计⽅法是：重视上层的业务逻辑操作，⽽尽可能避免底层复杂的实现细节。
那么有没有优化空间呢？库函数正是为了将程序员从复杂的细节中解脱出来⽽提出的⼀种有效⽅法。
它实现对系统调⽤的封装，将简单的业务逻辑接⼝呈现给⽤户，⽅便⽤户调⽤，从这个⾓度上看，库函数就像是组成汉字的“偏旁”。
这样的⼀种组成⽅式极⼤增强了程序设计的灵活性，对于简单的操作，我们可以直接调⽤来访问资源，如“⼈”；对于复杂操作，我们借助于来实现，如“仁”。
库函数依据不同的标准也可以有不同的实现版本，如ISOC 标准库，POSIX 标准库等。
linux cpu运行2种状态
1.操作系统需要两种CPU状态内核态（Kernel Mode）：运行操作系统程序，操作硬件用户态（User Mode）：运行用户程序2.指令划分特权指令：只能由操作系统使用、用户程序不能使用的指令。
举例：启动I/O 内存清零修改程序状态字设置时钟允许/禁止终端停机非特权指令：用户程序可以使用的指令。
举例：控制转移算数运算取数指令访管指令（使用户程序从用户态陷入内核态）3.特权级别特权环：R0、R1、R2和R3R0相当于内核态，R3相当于用户态；不同级别能够运行不同的指令集合；4.CPU状态之间的转换用户态--->内核态：唯一途径是通过中断、异常、陷入机制（访管指令）内核态--->用户态：设置程序状态字PSW5.内核态与用户态的区别内核态与用户态是操作系统的两种运行级别，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；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。
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。
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（比如操作硬件）。
这两种状态的主要差别是◆处于用户态执行时，进程所能访问的内存空间和对象受到限制，其所处于占有的处理器是可被抢占的◆处于内核态执行时，则能访问所有的内存空间和对象，且所占有的处理器是不允许被抢占的。
6. 通常来说，以下三种情况会导致用户态到内核态的切换◆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。
Linux内核空间与用户空间
Linux 操作系统和驱动程序运行在内核空间，应用程序运行在用户空间，二者不能简单地利用指针传递数据，因为Linux利用的虚拟内存机制，用户空间的数据可能被换出，当内核空间利用用户空间指针时，对应的数据可能不在内存中。
Linux内核地址映射模型x86 CPU采纳了段页式地址映射模型。
进程代码中的地址为逻辑地址，通过段页式地址映射后，才真正访问物理内存。
段页式机制如以下图。
Linux内核地址空间划分通常32位Linux内核地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G为内核空间。
注意那个地址是32位内核地址空间划分，64位内核地址空间划分是不同的。
Linux内核高端内存的由来当内核模块代码或线程访问内存时，代码中的内存地址都为逻辑地址，而对应到真正的物理内存地址，需腹地址一对一的映射，如逻辑地址0xc0000003对应的物理地址为0×3，0xc0000004对应的物理地址为0×4，… …，逻辑地址与物理地址对应的关系为物理地址= 逻辑地址– 0xC0000000假设依照上述简单的地址映射关系，那么内核逻辑地址空间访问为0xc0000000 ~0xffffffff，那么对应的物理内存范围就为0×0 ~ 0×，即只能访问1G物理内存。
假设机械中安装8G物理内存，那么内核就只能访问前1G物理内存，后面7G物理内存将会无法访问，因为内核的地址空间已经全数映射到物理内存地址范围0×0 ~ 0×。
即便安装了8G物理内存，那么物理地址为0×的内存，内核该怎么去访问呢代码中必需要有内存逻辑地址的，0xc0000000 ~ 0xffffffff的地址空间已经被用完了，因此无法访问物理地址0×以后的内存。
显然不能将内核地址空间0xc0000000 ~ 0xfffffff全数用来简单的地址映射。
因此x86架构中将内核地址空间划分三部份：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM。
用户态到内核态的转化原理
用户态到内核态的转化原理操作系统是用来控制电脑硬件的软件，它管理和协调着所有的硬件和软件资源。
它的主要职责是把不同的任务分发给电脑的硬件设备，并促使这些设备正确地执行这些任务。
操作系统可以分为两种模式，即用户态和内核态。
所谓用户态就是以用户的身份运行操作系统的模式，它是操作系统在正常使用状态下的默认模式。
在用户态下，操作系统有效地隔离保护了用户程序同硬件设备的直接交互，只有通过特殊的用户程序调用，操作系统才可以处理硬件设备。
而内核态则是操作系统在特殊的情况下，以拥有最高权限的操作系统内核的角色运行的模式。
在内核态下，操作系统将有效地拥有直接的访问硬件的权利，能够更加直接高效地进行硬件操作，而不必去依赖于用户调用，从而实现比用户态下执行效率更高的任务执行。
对于操作系统而言，用户态到内核态的转换依赖于一些外部或者内部事件，比如硬件中断、程序指令错误、系统调用等，当出现这类情况时，就会发生用户态到内核态的转换。
当操作系统收到上述外部或内部事件时，它会调用一个内部函数，即中断处理程序（Interrupt handler），用于对事件的处理。
中断处理程序在调用之前，操作系统会从用户态到内核态进行转换，这就是用户态到内核态转换的原理。
在实现上，用户态到内核态的转换是通过操作系统的特权级来实现的。
特权级是操作系统中访问与控制硬件设备的权限层次，主要有0级到3级共4级，每一级的特权级越高，对应的权限就越大。
用户态的特权级为0级，而内核态的特权级则为3级，当程序需要从用户态到内核态的时候，就会自动地从0级到3级的转换，这就是实现从用户态到内核态转换的原理。
总结而言，用户态到内核态转换主要是在外部或内部事件发生时，操作系统调用中断处理程序，通过特权级的改变，从用户态到内核态进行转换，以达到对硬件直接访问的目的。
此外，操作系统在进行用户态到内核态的转换时，还会进行一些其他的处理，比如内存的分配，时间的设置等，以实现它们的最佳效率。
linux 驱动 内核态与用户态的方法
linux 驱动内核态与用户态的方法Linux 作为一个开源的操作系统，其内核和驱动程序的开发一直是开发者关注的焦点。
在 Linux 系统中，内核态和用户态是两个不同的运行环境，分别对应了操作系统内核和用户程序。
在驱动程序的开发中，涉及到内核态和用户态的交互，需要开发者了解内核态与用户态的方法。
首先，内核态和用户态是操作系统中的两种运行级别。
内核态是操作系统的最高特权级别，可以直接操作硬件资源和访问系统内存，而用户态则是应用程序运行的环境，受到操作系统的限制，不能直接访问硬件资源。
驱动程序一般运行在内核态，用于控制硬件设备和提供接口给用户程序调用。
在 Linux 系统中，内核态和用户态的切换是通过系统调用实现的。
系统调用是用户程序调用操作系统功能的一种方式，通过软中断将用户程序从用户态切换到内核态，让内核执行相应的操作。
在驱动程序的开发中，需要通过系统调用来实现内核态和用户态的交互。
在编写驱动程序时，需要使用一些特定的函数和数据结构来实现内核态与用户态的通信。
其中，包含了一些必要的函数接口和机制，如 file_operations 结构体、ioctl 函数、copy_to_user 和 copy_from_user 函数等。
这些函数和数据结构可以帮助开发者在内核态和用户态之间传递数据，并实现对硬件设备的控制和操作。
此外，在驱动程序的开发过程中，需要注意内核态与用户态的安全性和稳定性。
内核态具有最高特权级别，可以直接操作系统资源，因此在编写驱动程序时需要谨慎处理数据的传递和操作，避免造成系统崩溃或安全漏洞。
同时，需要考虑到用户态程序的异常情况和错误处理，确保系统的稳定性和可靠性。
总的来说，内核态与用户态的方法在 Linux 驱动程序的开发中起着重要的作用。
开发者需要了解内核态与用户态的区别和特点，利用系统调用和相关函数接口实现内核态与用户态的通信，确保驱动程序的安全性和稳定性。
只有深入理解内核态与用户态的方法，才能更好地开发出高效、稳定的 Linux 驱动程序。
linux下内核与用户态间的交互机制
linux下内核与用户态间的交互机制（原创版）目录1.引言：介绍 Linux 内核与用户态的概念及其关系2.Linux 内核与用户态交互的方式2.1 系统调用2.2 信号2.3 消息队列2.4 套接字3.实例：fork() 系统调用4.特权级5.结论：总结 Linux 下内核与用户态间的交互机制的重要性正文1.引言Linux 是一个开源的操作系统，其最大的特点就是内核与用户态的交互机制。
在 Linux 系统中，内核负责管理系统的资源和运行状态，而用户态则负责运行应用程序。
内核与用户态之间的交互机制是 Linux 系统运行的核心，也是操作系统管理的关键。
2.Linux 内核与用户态交互的方式在 Linux 系统中，内核与用户态之间的交互主要通过以下几种方式实现：2.1 系统调用系统调用是操作系统提供给用户程序的一组应用编程接口 (API)，用户程序可以通过系统调用请求操作系统内核提供的服务，如文件操作、进程管理等。
系统调用是内核与用户态之间最重要的交互方式之一。
2.2 信号信号是操作系统内核与用户程序之间进行异步通信的一种机制。
当发生某个特定事件时，如程序异常、硬件故障等，操作系统内核可以向用户程序发送信号，告知用户程序需要采取相应的措施。
2.3 消息队列消息队列是 Linux 系统中一种先进的通信机制，可以实现内核与用户态之间的双向通信。
消息队列是一种特殊的数据结构，用于存储消息，消息可以是内核与用户程序之间的通信信息，也可以是用户程序之间的通信信息。
2.4 套接字套接字是 Linux 系统中一种通用的通信接口，可以实现不同进程之间的通信，也可以实现内核与用户态之间的通信。
套接字提供了一种灵活的通信机制，可以满足不同场景下的通信需求。
3.实例：fork() 系统调用fork() 是 Linux 系统中一个典型的系统调用，用于创建一个新的进程。
当用户程序调用 fork() 时，操作系统内核会创建一个新的进程，并将新的进程的资源映射到原始进程的资源上。
Linux普通到root用户切换
1、Linux中的用户切换:su和su - 的区别大部分Linux发行版的默认账户是普通用户，而更改系统文件或者执行某些命令，需要root身份才能进行，这就需要从当前用户切换到root用户,Linux中切换用户的命令是su或su -,下面就su 命令和su -命令最大的本质区别给大家详解一下：前者只是切换了root身份，但Shell环境仍然是普通用户的Shell；而后者连用户和Shell环境一起切换成root身份了。
只有切换了Shell环境才不会出现PATH环境变量错误。
su切换成root用户以后，pwd一下，发现工作目录仍然是普通用户的工作目录；而用su -命令切换以后，工作目录变成root的工作目录了。
用echo $PATH命令看一下su和su - 以后的环境变量有何不同。
以此类推，要从当前用户切换到其它用户也一样，应该使用su -命令。
打个比方：在普通用户下输入：$pwd/home/test (当前用户目录)$su ****** (输入密码)#pwd (再次查看路径)/home/test (还是当前用户目录)但是如果换成su-的话结果如下：$pwd/home/test(当前用户目录)$su -****** (输入密码)#pwd (再次查看路径)/root (切换到超级用户目录)2、创建root用户终端输入：sudo passwd root ******（输入原先的root口令） ******（输入新的root口令，可以保持原样。
我就保持的原样） ******（再次输入新的root口令） 在终端中输入：su root 即可进入root用户下了以‘＃’开头，普通用户下为‘$’开头3、今天在普通用户weil下，想切换到root。
结果提示“密码不正确”#su -#密码：@键入密码#su: 密码不正确重复试了几次，密码绝对没记错；然后试图切换到另一个普通用户kail下，同样提示“密码不正确”。
查看/etc下passw和shadow权限。
用户态到内核态的转化原理
用户态到内核态的转化原理操作系统是计算机中一种不可或缺的软件，负责管理和控制计算机硬件和软件的使用，它有着复杂的结构，其中操作系统内核是其最核心的部分，是整个操作系统的灵魂。
不同的操作系统采用的内核结构也有所不同，但它们的基本原理是一致的。
本文将介绍一般操作系统内核的功能及其中用户态和内核态之间的转化原理，此话题对深入理解操作系统内核运行状态转换有重要的意义。
一般来说，操作系统内核有三大功能：硬件管理、进程管理和文件管理。
它负责管理系统中所有硬件设备，比如存储器、显卡、磁盘等，并确保系统硬件能够安全地工作；它负责管理当前系统中的进程，并对它们进行分配资源；它负责管理文件，并实现用户对文件的读写操作。
上面提到的三大功能是内核的重要功能，但是它们必须在两种不同的状态之间进行转换。
这二种状态分别是用户态和内核态，前者专指计算机正在处理用户程序，此时操作系统运行在用户态；而后者指的是系统正在处理内核代码，此时系统运行在内核态。
那么，用户态与内核态之间是如何进行切换的呢？在操作系统内核的运行过程中，会不断的进行用户态和内核态的转化，从而实现系统的功能。
用户态到内核态的切换一般是由操作系统调度和实施，一般分为系统调用和中断两种情况。
系统调用是由用户程序发出的，当用户程序要向操作系统请求某种服务时，就会发起系统调用，操作系统会根据用户的请求响应，并切换到内核态。
中断可以分为软中断和硬中断两类。
软中断是由操作系统发出的，比如定时器超时、管道读写等，操作系统会对其作出响应，实施中断，并切换到内核态。
硬中断是指硬件发出的中断，比如磁盘IO操作完成，或者输入设备上有用户输入，此时硬件会发出中断，并调用相应的中断处理函数，从而进行切换到内核态。
从上面可以看出，操作系统内核的用户态到内核态的转换是一个不断的过程，这个过程的实施由系统调度程序控制，一般采用中断机制实施。
其实，操作系统内核中用户态与内核态之间的切换实际上也是按照特定的步骤进行的。
操作系统——用户态和内核态
操作系统——⽤户态和内核态⽬录处理器的4种状态⼤多数计算机系统处理器状态有4种，分别⽀持0～3级共4个特权级别，其中0级权限最⾼，3级权限最低1. 0级（Ring0/R0）为内核级，处理I/O操作，执⾏中断处理等关键操作2. 1级（Ring1/R1）为系统调⽤级，可以执⾏⽂件系统调⽤，获得特定的和受保护的程序服务3. 2级（Ring2/R2）为共享库级，可被多个运⾏进程共享，允许调⽤库函数，读取但不修改内部数据4. 3级（Ring3/R3）为应⽤程序级，所受到的保护最少⼏乎所有的通⽤操作系统只使⽤了0级和3级，即简单区分内核态和⽤户态内核态即为上⾯所说的0级（Ring0/R0），本质上来说负责最基本的硬件管理，如处理I/O操作请求，执⾏中断处理（没错中断属于硬件管理），⽂件管理⽤户态即为上⾯所说的3级（Ring3/R3），本质上来说负责⼈机交互，即运⾏⼀些你⼀眼就会⽤或者上⽹查⼀查就会⽤的软件内核态和⽤户态的互相转换中断！⼀般程序在运⾏过程中，产⽣了中断，例如该腾讯会议需要调⽤本机的麦克风和摄像头，由⽤户态转向内核态，由内核态组织调⽤摄像头和麦克风，在腾讯会议请求调⽤得到处理后，内核态就会改变关键字段，转换为⽤户态⽤户态转向内核态的所有情况都是：中断，⽽内核态转向⽤户态就是在内核态需要处理的中断处理完了就转换为⽤户态那么中断有哪些呢中断的类型外中断即我们⼀般所说的中断，指的是来⾃CPU外部的中断请求，如I/O操作处理，磁盘读写等等内中断即我们所说的异常，⼀般有三种：陷⼊（trap）、错误（fault）、终⽌（abortion）陷⼊（trap）和错误（fault）陷⼊（trap）：由陷⼊指令引发，是应⽤程序故意引发的错误（fault）：由错误条件引起的，可能被内核程序修复。
内核程序修复故障后会把 CPU使⽤权还给应⽤程序，让它继续执⾏下去。
如：缺页故障错误（fault）和陷⼊（trap）最重要的⼀点区别是他们发⽣时所保存的EIP值的不同：错误（fault）保存的EIP指向触发异常的那条指令；⽽陷⼊（trap）保存的EIP指向触发异常的那条指令的下⼀条指令终⽌（abortion），指程序遇到了不可修复的错误，例如整数除零Linux操作系统的root⽤户和内核态的区别root⽤户只是⼀个超级⽤户，只不过是⼀个权⼒⼤⼀些的⽤户。
用户态和内核态的转换
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。
系统调用实质上是一个中断，而汇编指令int 就可以实现用户态向内核态切换，iret实现内核态向用户态切换b. 异常当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条指令。
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linux用户态和内核态的转换
原文链接：/question/363231653.html
当一个任务（进程）执行系统调用而执行内核代码时，称进程处于内核内核态，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。
当进程执行用户代码时，称其处于用户态，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。
保护模式，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。
在内核态下，CPU可执行任何指令，在用户态下CPU只能执行非特权指令。
当CPU处于内核态，可以随意进入用户态；而当CPU处于用户态，只能通过中断的方式进入内核态。
一般程序一开始都是运行于用户态，当程序需要使用系统资源时，就必须通过调用软中断进入内核态.
使用nm查看用户态程序的符号表内容
使用System.map(内核符号表)查看内核符号表内容
1. 测试程序中打印用户态函数地址，并调用系统调用(在内核中打印系统调用函数地址)，用"用户态符号表"和"内核态符号表"示例说明内核态和用户态地址空间的差异
2. 说明内核态地址映射ioremap()；用户态地址映射mmap()
原文链接：/view/f78b7e40be1e650e52ea998f.html
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。
系统调用实质上是一个中断，而汇编指令int 就可以实现用户态向内核态切换，iret实现内核态向用户态切换
b. 异常
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条指令。
[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。