操作系统内核态和用户态
用户态和内核态的区别
⽤户态和内核态的区别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。
操作系统大题总结解答
处理机的执行模式与执行状态大多数处理器都至少支持两种执行模式，一种是同操作系统有关的模式，另一种则是同用户程序有关的模式。
较低特权的模式称为用户模式。
较高特权的模式称系统模式、控制模式或内核模式。
内核模式能执行所有的指令，访问所有的内存； 用户模式则只能执行有限的指令，访问规定的内存处理器往往有一个或多个寄存器来保存处理器模式信息——程序状态字（PSW ）为了防止操作系统及其关键数据（如PCB ）遭到用户程序有意或无意的破坏，通常将处理机的执行状态分为两种：核心态与用户态核心态又称管态、系统态，是操作系统管理程序执行时机器所处的状态。
它具有较高的特权，能执行一切指令，能访问所有的寄存器和存储区。
用户态又称目态，是用户程序执行时机器所处的状态。
它具有较低的特权，只能执行规定的指令和只能访问指定的寄存器和存储区。
信号量练习2.某电话亭每一时刻最多只能容纳一个人打电话。
来打电话的人，如果看到电话亭空闲，则直接进入电话亭打电话；如果看到电话亭里正有人在打电话，则在外面排队等候，直到轮到自己，再进入电话亭打电话。
请用信号量来表达打电话的进程对电话机的互斥使用逻辑。
该电话亭每次只能容纳一个人打电话（进程）使用，所以是一个临界资源，资源量为1，各进程要互斥使用。
用信号量来表达资源的数量：semaphore mutex=1；（或empty=1） main( ) { CobeginPi （ ）；//(i=1,2,3,4,……); Coend }练习3.某电话亭共有3台电话机，即能容纳3个人（3个进程）同时打电话。
来打电话的人，如果看到电话亭有空闲机子，则直接进入电话亭打电话；如果看到电话亭人满，则在外面排队等候，直到轮到自己再进入电话亭打电话。
请用信号量机制表达打电话的进程对电话机资源的使用限制。
用信号量来表达空闲的电话机数：资源量的初值为3（表示开始时有3semaphore empty=3； main （ ） { CobeginPi （ ）; i=1,2,3,…… Coend }4.生产者-消费者问题一个说明空缓冲单元的数目，用empty 表示，其初值为有界缓冲区的大小n ，另一个说明满缓冲单元的数目，用full 表示，其初值为0。
什么是进程上下文
进程上下文和中断上下文是操作系统中很重要的两个概念，这两个概念在操作系统课程中不断被提及，是最经常接触、看上去很懂但又说不清楚到底怎么回事。
造成这种局面的原因，可能是原来接触到的操作系统课程的教学总停留在一种浅层次的理论层面上，没有深入去研究。
处理器总处于以下状态中的一种：１、内核态，运行于进程上下文，内核代表进程运行于内核空间；２、内核态，运行于中断上下文，内核代表硬件运行于内核空间；３、用户态，运行于用户空间。
用户空间的应用程序，通过系统调用，进入内核空间。
这个时候用户空间的进程要传递很多变量、参数的值给内核，内核态运行的时候也要保存用户进程的一些寄存器值、变量等。
所谓的“进程上下文”，可以看作是用户进程传递给内核的这些参数以及内核要保存的那一整套的变量和寄存器值和当时的环境等。
硬件通过触发信号，导致内核调用中断处理程序，进入内核空间。
这个过程中，硬件的一些变量和参数也要传递给内核，内核通过这些参数进行中断处理。
所谓的“中断上下文”，其实也可以看作就是硬件传递过来的这些参数和内核需要保存的一些其他环境（主要是当前被打断执行的进程环境）。
关于进程上下文LINUX完全注释中的一段话：当一个进程在执行时,CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容被称为该进程的上下文。
当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的上下文，以便在再次执行该进程时，能够必得到切换时的状态执行下去。
在LINUX中，当前进程上下文均保存在进程的任务数据结构中。
在发生中断时,内核就在被中断进程的上下文中，在内核态下执行中断服务例程。
但同时会保留所有需要用到的资源，以便中断服务结束时能恢复被中断进程的执行。
内核空间和用户空间是操作系统理论的基础之一，即内核功能模块运行在内核空间，而应用程序运行在用户空间。
现代的CPU都具有不同的操作模式，代表不同的级别，不同的级别具有不同的功能，在较低的级别中将禁止某些操作。
用户态线程和内核态线程的区别
⽤户态线程和内核态线程的区别⽤户级线程“既然你已经看过线程的基本概念，那我就直接跳过这⼀部分了。
很久很久之前，线程的概念是出现了，但操作系统⼚商可不能直接就去修改操作系统的内核，因为对他们来说，稳定性是最重要的。
贸然把未经验证的东西加⼊内核，出问题了怎么办？所以想要验证线程的可⽤性，得另想办法。
”“我知道我知道，那些研究⼈员就编写了⼀个关于线程的函数库，⽤函数库来实现线程！”⼩⽩得意的说：“这个我刚刚在⽹上看到了。
”“是的，他们把创建线程、终⽌线程等功能放在了这个线程库内，⽤户就可以通过调⽤这些函数来实现所需要的功能。
”⼩明找了张纸，写上了⼏个函数：pthread_creat，pthread_exit ，pthread_join ，pthread_yield ，接着说：“这是⼏个重要的功能，我马上会讲到，你应该能⼤概猜出这些函数的功能吧？”“emmmm，让我想想，pthread_creat 是创建⼀个新线程，pthread_exit 是结束线程，pthread_join 嘛，我猜是准备运⾏，最后⼀个，我就不知道了。
”“不知道也没关系，⼀会你就清楚了。
”⼩明接着讲：“要知道，刚刚我们说的线程库，是位于⽤户空间的，操作系统内核对这个库⼀⽆所知，所以从内核的⾓度看，它还是按正常的⽅式管理。
”⼩⽩问道：“也就是说操作系统眼⾥还是只有进程喽？那我⽤线程库写的多线程进程，只能⼀次在⼀个 CPU 核⼼上运⾏？” （因为操作系统调度的是进程，每次只能调度不同的进程，所以同⼀个进程⾥的线程⽆法并⾏）⼩明点点头，说：“你说的没错，这其实是⽤户级线程的⼀个缺点，这些线程只能占⽤⼀个核，所以做不到并⾏加速，⽽且由于⽤户线程的透明性，操作系统是不能主动切换线程的，换句话讲，如果线程 A 正在运⾏，线程 B 想要运⾏的话，只能等待 A 主动放弃 CPU，也就是主动调⽤ pthread_yield 函数。
”注：对操作系统来说，⽤户级线程具有不可见性，也称透明性。
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。
计算机组成原理八股文
计算机组成原理八股文计算机操作系统内核态和用户态的区别用户态可以执行CPU调用的非特权指令内核态可以执行特权指令和非特权指令用户态到内核态的切换是通过中断实现的内核态到用户态的切换是通过特权指令实现的什么是操作系统中断?1.当发生中断时，CPU立即进入内核态2.当发生中断后，当前进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理3.对于不同的中断信号，会进行不同的处理4.中断分为内中断和外中断。
进程控制块PCB是什么?存放进程的管理和控制信息的数据结构称为进程控制块。
它是进程管理和控制的最重要的数据结构，每一个进程均有一个PCB，在创建进程时，建立PCB，伴随进程运行的全过程，直到进程撤消而撤消。
线程和进程的区别?1.进程是操作系统的最小调度单位，线程是CPU的最小调度单位2.一个进程包括多个线程，且当前进程下的线程共用一个内存空间3.进程间不会相互影响，但一个线程挂掉将导致整个进程挂掉4.进程可以扩展到多机，进程最多适合多核5.进程要比线程消耗更多的计算资源，同理线程要比携程消耗更多的计算资源6.进程使用的内存地址可以上锁，就是一个线程使用某些共享内存时，其它线程必须等它结束，才能使用这一块内存。
同步和互斥同步是指不同的进程之间必须按照规定的先后次序互斥是指不同的进程访问同一个资源时，临界资源只能有一个进程访问，其他需要等待该进程释放才可以访问进程调度算法有那些1.批处理系统1.1先来先服务就是按顺序来，有利于长作业的不利于短作业的，因为短作业必须等待前面长作业执行完毕才能执行，而长作业又需要执行很长时间，导致短作业等待时间过长。
1.2短作业优先长作业可能一直等待短作业执行完毕的状态，因为如果一直有短作业过来，那么长作业就会永远得不到调度1.3最短剩余时间优先它是抢占式的，按剩余时间的顺序进行调度，当有新的进程来，其整个运行时间与当前进程的剩余时间作比较，若新的进程需要的时间更短，则挂起当前进程，运行新的进程。
操作系统重点概念
1.CPU的两种运行模式：内核态（又称核心态、系统态、管态）与用户态（又称目态）。
2.指令是控制计算机执行某种操作的命令。
3.特权指令：是一类具有特殊权限的指令，只用于操作系统或其他系统软件，普通用户不能直接使用4.非特权指令：也称为用户指令或普通指令，是普通用户能够直接使用的指令。
这是指令集中除特权指令外的所有指令。
5.操作系统的用户观点与系统观点:用户观点：为用户提供使用计算机系统的接口与各种资源管理服务（从系统外部看）系统观点：管理与分配计算机系统硬件及软件资源。
因此，操作系统是计算机资源的管理者（从系统内部看6.操作系统：是控制与管理计算机系统内各种硬件与软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。
功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口7.多道程序设计的基本思想：在内存中同时存放多道程序，在管理程序的控制下交替地执行。
这些作业共享CPU与系统中的其他资源。
8.多道批处理系统优缺点：优点:系统资源利用率高；系统吞吐量大。
缺点:用户作业等待时间长；无交互性，用户一旦提交作业就失去了对其运行的控制能力9.多道：系统在内存中存放多个作业，并且在外存上还保存大量的后备作业。
10.成批：系统按批次调度作业，而在系统运行过程中不允许用户与机器之间发生交互作用。
11.分时：对时间的共享。
在分时系统中，分时主要是指若干并发程序对CPU时间的共享12.Linux系统特点:与UNIX兼容；自由软件，源码公开；性能高，安全性强；便于定制与再开发；互操作性高；全面的多任务与真正的32位操作系统13.进程概念：程序在并发环境中的执行过程进程最根本的属性：是动态性与并发性进程的特征：动态性并发性独立性异步性批处理系统的特征：脱机多道成批处理分时系统的特征：多路性独立性及时性交互性14.进程间的相互关系主要分为如下三种形式：1.互斥——竞争同一资源而发生相互制约2. 同步——协同完成一项任务3. 通信——交换信息，合作完成一项工作15.进程与程序的区别与联系：（1）进程是动态概念，程序是静态概念（2）进程有并发性，程序没有（3）一个程序对应多个进程（4）进程有三个基本状态进程的三种状态及其转换16.进程控制块的作用：每个进程有唯一的进程控制块；操作系统根据PCB对进程实施控制与管理；进程的动态、并发等特征是利用PCB表现出来的；PCB是进程存在的唯一标识17.临界资源：一次仅允许一个进程访问的资源18.临界区：简称CS区进程中访问临界资源的那段程序代码19.原语是为完成某些特定的功能而编制的一段系统程序。
计算机等考四级操作系统知识点
操作系统单选题1.操作系统：从计算机系统发展角度来看，操作系统的主要作用是提供虚拟机和扩展机。
从软件设计和开发角度来看，操作系统的主要作用是提供软件开发基础平台。
从计算机应用角度来看，操作系统的主要作用是提供人机交互接口。
从计算机安全保护角度来看，操作系统的主要作用是提供第一道安全防线2.操作系统作为系统软件，位于软件系统的硬件之上，支撑软件之下层面。
组成操作系统的主要部分是进程线程管理,内存管理,设备管理和文件管理。
在计算机配置操作系统的主要目的是提高计算机系统资源的利用率。
当操作系统位于核心态时既可以运行特权命令也可以运行任何非特权命令。
内核态和用户态是用于操作系统运行安全而设置的一种状态标记，其含义是指：在运行时所处的状态。
算术运算指令可以在用户态下执行。
在计算机系统当中，通常为匹配不同速度的外设，采用了缓冲技术，高速缓存（错）。
3.并发性：操作系统"并发性"是指进程在宏观上是同时运行，而在微观上是交替运行。
编译高级语言编写的程序不是操作系统具有的功能。
操作系统最基本的特征是并发性。
采用多道程序设计技术能够有效地提高系统的并发性。
4.操作系统接口：当用户在终端窗口通过输入命令来控制计算机运行时，使用的是操作系统的命令行接口。
操作系统作为系统软件，为用户提供了高效使用计算机的接口。
操作系统提供给用户的接口是命令输入和系统调用。
5.微内核结构:微内核结构是构造操作系统的方法，微内核结构表示的是客户机/服务器结构。
关于操作系统的结构，清晰的单向依赖和单向调动性不是微内核结构的特点。
6.内核：操作系统需要处理器从内核态转为用户态时，采用的是修改程序状态字。
既可以在内核态下运行又可以在用户态下运行的指令是置移位方向标志。
用户应用程序不属于操作系统内核程序。
在操作系统中，只能在内核态下运行的指令是关中断指令。
7.系统调用：系统调用时调用程序位于用户态，被调用程序位于核心态。
若要在屏幕上画一个红色的圈，需要使用系统调用。
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。
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。
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。
计算机等级考试四级教程---操作系统原理
基本要求1.掌握操作系统的基本概念、基本结构和运行机制.2.深入理解进程线程模型，深入理解进程同步机制，深入理解死锁概念及解决方案。
3.掌握存储管理基本概念，掌握分区存储管理方案，深入理解虚拟页式存储管理方案。
4.深入理解文件系统的设计、实现,以及提高文件系统性能的各种方法.5.了解I/O设备管理的基本概念、I/O软件的组成，掌握典型的I/O设备管理技术.6.了解操作系统的演化过程、新的设计思想和实现技术。
考试内容一、操作系统概述1、 操作系统基本概念、特征、分类.基本概念：是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合-—它们能有效地组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使用户能够灵活的、方便、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能够高效地运行（是具有各种功能的、大量程序模块的集合）。
任务： 1.组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源 2.向用户提供各种服务功能特征： 并发性（用户程序与用户程序之间并发执行；用户程序与操作系统程序之间并发执行）、共享性(互斥共享和同时共享)、随机性(要充分考虑各种各样的可能性）。
分类: 1.批处理操作系统（成批处理、SPOOLing技术) 简单/多道批处理系统 2。
分时系统 （多路性、交互性、独占性、及时性）3。
实时操作系统 硬实时/软实时系统 （实时时钟管理、过载保护、高可靠性）4.嵌入式操作系统 可针对需求进行裁剪、调整和生成 （高可靠性、实时性、占有资源少、智能化能源管理、易于连接、低成本等）5。
个人计算机操作系统 (某一时间为单用户服务、图形界面、使用方便)6.网络操作系统 集中式/分布式模式 (共享数据、资源及服务同运算处理能力）7.分布式操作系统（统一/同一操作系统、资源的深度共享、透明性、自治性）集群8。
智能卡操作系统 资源管理、通信管理、安全管理、应用管理2、 操作系统主要功能。
四川大学(软件)操作系统简答题
From the perspective of design, what are the main modules inside the OS kernel? Andgive a short description of each of them.从设计的角度来看，操作系统内核中的主要模块是什么？对每一项做一个简短的描述答案：包括进程管理（调度）模块、文件管理模块、设备管理模块、存储管理模块、网络模块（以下非教材内找到，仅供参考）进程管理模块：当多个程序同时运行时，解决处理器(CPU)时间的分配问题。
文件管理模块：主要负责文件的存储、检索、共享和保护，为用户提供文件操作的方便设备管理模块：根据用户提出使用设备的请求进行设备分配，同时还能随时接收设备的请求（称为中断），如要求输入信息。
存储管理模块：为各个程序及其使用的数据分配存储空间，并保证它们互不干扰。
网络模块：提供对多种网络通信标准的访问并支持许多网络硬件（以下为教材内容）操作系统内核的典型功能：进程管理：进程的创建和终止；进程的调度和分派；进程切换；进程同步以及对进程间通信的支持；进程控制块的管理内存管理：给进程分配地址空间；交换；页和段的管理I/O管理：缓冲区管理；给进程分配I/O通道和设备支持功能：中断处理；记账；监视How a child process is created by call the system call (E.g. fork( ) in Linux or CreateProcess() in Windows). Give a description of the process.如何通过调用系统调用来创建子进程答案：一般步骤：1.给新进程分配一个唯一的进程标识号。
2.给进程分配空间。
3.初始化进程控制块。
4.设置正确的连接。
5.创建或扩充其他的数据结构。
Linux下，通过系统调用创建的步骤：使用fock（）函数，1.为最新进程在进程表中分配一个空项2.为子进程赋一个唯一的进程标识符3.生成一个父进程上下文的逻辑副本，不包括共享内存区4.增加父进程拥有的所有文件的计数器，以表示有一个另外的进程现在也拥有这些文件5.把子进程设为就绪态6.向父进程返回子进程的进程号，对子进程返回零List advantages of ULTs over KLTs and disadvantages of ULTs compared to KLTs.列出对于内核级线程来说，用户级线程的优势与劣势答案：以下为教材课后习题答案列出用户级线程优于内核级线程的三个优点。
linux驱动面试题及答案
linux驱动面试题及答案一、概述在Linux开发领域，驱动程序是至关重要的组成部分。
为了帮助读者更好地准备Linux驱动开发面试，本文将介绍一些常见的Linux驱动面试题及其答案。
二、Linux驱动基础知识1. 什么是Linux驱动？答：Linux驱动是一段软件程序，用于与特定硬件设备进行通信，实现对硬件设备的控制和数据传输。
2. Linux驱动由哪些组成部分构成？答：Linux驱动由多个组成部分构成，包括设备和驱动模块。
设备代表硬件设备，而驱动模块负责驱动设备并与内核进行交互。
3. 内核态和用户态之间的区别是什么？答：内核态是操作系统的核心部分，具有最高的权限。
用户态是应用程序运行的环境，权限较低。
在内核态中，驱动可以直接访问硬件设备。
4. 请解释Linux设备树（Device Tree）是什么？答：Linux设备树是一种描述硬件设备及其连接方式的数据结构，用于在启动时为设备提供必要的参数和配置信息。
5. 使用哪个命令来加载和卸载Linux驱动？答：insmod命令用于加载驱动模块，rmmod命令用于卸载驱动模块。
三、Linux驱动开发相关问题6. 在Linux驱动中，什么是Platform驱动？答：Platform驱动是一种Linux内核驱动，用于支持与硬件设备直接连接的平台设备。
其驱动模块通过设备树（Device Tree）来识别和初始化设备。
7. 请解释字符设备驱动是什么？答：字符设备驱动是一种Linux驱动，用于支持以字符为单位进行I/O操作的设备，如串口、终端等。
8. 什么是中断处理程序？如何在Linux驱动中实现中断处理程序？答：中断处理程序是在CPU接收到硬件设备发出的中断信号时执行的函数。
在Linux驱动中，可以通过注册中断处理程序的方式来实现，通常使用request_irq函数来注册中断处理函数。
9. 在Linux驱动中，如何进行内存管理？答：在Linux驱动中，可以使用kmalloc和kfree函数来进行动态内存的分配和释放。
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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操作系统内核态和用户态
操作系统内核态和用户态几乎是考研试题中必考的题目，一般是一道选择题，但是在教材中对着一部分讲解的不是很全面。
在复习中（包括我在内），往往面临两难的问题，一方面教材上的内容较少，另一方面网上的东西又太多，看的时候又不知所措。
所在在这里给大家把这一块的知识点总结一下，希望能给大家带来一些启迪，同时也欢迎大家一起讨论。
一、操作系统结构：
操作系统的发展大致经历了无结构操作系统（第一代），模块化的操作系统（第二代），分层式结构（第三代），这些称为传统操作系统结构。
而微内核操作系统是现代操作系统结构，他是在C/S（客户端/服务器）这种架构方式上发展起来的。
传统操作系统的内容，大家只需要了解就可以了。
重点在微内核操作系统。
二、微内核操作系统
微内核操作系统往往采用的是C/S模式，它把操作系统分为微内核和多个服务器。
微内核主要用于（1）实现与硬件紧密相关的处理，（2）实现一些较基本的功能，（3）负责客户和服务器之间的通信。
内核的功能：
（1）进程（线程）管理（进程或者线程的调度）
（2）低级存储器管理（用户程序逻辑空间到内存空间的物理地址的变换）
（3）中断和陷入管理（中断和陷入）
由于微内核结构的存在，那么程序就运行在两种不同的地方，内核态和用户态，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。
三、内核态和用户态
内核态：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）。
其他的属于用户态。
用户程序运行在用户态,操作系统运行在内核态.（操作系统内核运行在内核态，而服务器运行在用户态）。
用户态不能干扰内核态.所以CPU指令就有两种,特权指令和非特权指令.不同的状态对应不同的指令。
特权指令：只能由操作系统内核部分使用，不允许用户直接使用的指令。
如，I/O指令、置终端屏蔽指令、清内存、建存储保护、设置时钟指令（这几种记好，属于内核态）。
非特权指令：所有程序均可直接使用。
所以：
系统态（核心态、特态、管态）：执行全部指令。
用户态（常态、目态）：执行非特权指令。
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。
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。
四、常见的内核态常见总结：
前文已经提到，内核的功能：
（1）进程（线程）管理（进程或者线程的调度）
（2）低级存储器管理（用户程序逻辑空间到内存空间的物理地址的变换）
（3）中断和陷入管理（中断和陷入）
具体的：
（1）I/O指令、置终端屏蔽指令、清内存、建存储保护、设置时钟指令。
（2）中断、异常、陷入，比如缺页中断等
（3）进程（线程）管理
（4）系统调用，比如调用了设备驱动程序
（5）用户内存地址的转换（逻辑---> 物理映射）
以前考过的真题：
1、用户在程序中试图读某文件的第100个逻辑块，使用操作系统提供的（）接口
A：系统调用B：图形用户接口C：原语D：键盘命令
解析：程序需要读取第100个逻辑块，这里发生了逻辑地址到物理地址的转换，必然要进入到内核态执行转换，所以必然要进入到内核态，在四个选型中，只有A系统调用才能进入到内核态。
所以A入选。
图形用户接口是用户接口，他是获得操作系统提供的服务一种方式，但是要想获得操作系统的服务，在底层仍然是使用的系统调用。
2、在中断发生后，进入中断处理的程序属于：（）
A：用户程序B：可能是应用程序，也可能是操作系统程序
C：操作系统程序D：既不是是应用程序，也不是操作系统程序
解析：中断的处理是由操作系统内核来处理的，这是操作系统内核最基本的功能之一，所以只能是操作系统程序。
从这些题目中，可以看出，理解内核态和用户态的基本的概念，区分好他们不同的情景，并且掌握内核态的典型场景，就可以做好这一类的题目。