Linux内核态与用户态

用户态与内核态

大部分操作系统中都划分了内核态与用户态，。对于Linux中，一个进程（应用程序）有的地址寻址空间一般是由操作系统位数决定，例如，32位操作系统的寻址空间是2的32次方（4G），对于一个进程而言，这就是他的范围，但是这个范围要再次划分，分为内核空间与用户空间

当然对应的空间也代表了不同的权限：内核空间（Kernel Space），这个空间只有内核程序可以访问；用户空间（User Space），这部分内存专门给应用程序使用。

也就是普通的应用程序是暂时无法访问内核空间的，只有在用户空间执行一些非特权指令。特权指令只能在内核空间执行。如果一个应用程序（进程）只是在用户空间进行操作，我们就叫他为程序在用户态进行执行。反之则是内核态

在内核态下，用户的寻址空间范围其实高达很多，基本上所有的位地址都可以达到，因为一个进程（应用）的寻址范围分两部分，一个是内核空间，一个是用户空间，大概可能一个1G 一个3G，具体看划分策略。

在用户态下，用户的寻址范围只能在一部分，也就是3G左右（以实际情况为准）

那么进程如何切换到内核态呢？

其实主要是由系统调用(System call)和中断来由用户态切换到内核态，流程如下：

当发生系统调用时，用户态的程序发起系统调用。因为系统调用中牵扯特权指令，用户态程序权限不足，因此会中断执行，也就是 Trap（Trap 是一种中断）。

发生中断后，当前 CPU 执行的程序会中断，跳转到中断处理程序。内核程序开始执行，也就是开始处理系统调用。内核处理完成后，主动触发 Trap，这样会再次发生中断，切换回用户态工作。

为什么要中断呢？因为中断是为了保存进程在用户态的一些上下文，例如：堆栈信息，等进程切换回去的时候，就会涉及保存的信息回复等步骤

具体如图所示：

内核态和用户态的区别主要体现在以下几个方面：

权限：内核态是操作系统拥有最高权限的运行状态，可以访问系统的所有资源，包括 CPU、内存、I/O 等。而用户态只能访问受限的资源，应用程序在用户态下运行，不能直接访问操作系统内核数据结构和程序。
系统调用：在用户态下，应用程序需要通过系统调用来请求操作系统提供服务，而在内核态下，操作系统可以直接访问系统资源，不需要通过系统调用。
CPU 指令：在内核态下，CPU 可以执行所有的指令，而在用户态下，CPU 只能执行受限的指令。
中断处理：在内核态下，操作系统可以响应所有的中断请求，而在用户态下，只能响应部分中断请求。
内存访问：在内核态下，操作系统可以访问所有的内存地址，而在用户态下，只能访问受限的内存地址。
运行环境：在内核态下，操作系统运行在内核空间，而在用户态下，应用程序运行在用户空间。

用户态线程和内核态线程之间的映射关系

以上我们一直在讨论的是进程，其实在绝大多数操作系统，我们的最小调度单位是进程，因为我们Linux系统本身就是一个巨大的进程，通过磁盘等来载入系统，所以相当于我们在内部一直在操作很多很多线程。至于两者之间的关系详情见博客

如果有一个用户态的进程，它下面有多个线程。如果这个进程想要执行下面的某一个线程，应该如何做呢？

这时，比较常见的一种方式，就是将需要执行的程序，让一个内核线程去执行。毕竟，内核线程是真正的线程。因为它会分配到 CPU 的执行资源。如果一个进程所有的线程都要自己调度，相当于在进程的主线程中实现分时算法调度每一个线程，也就是所有线程都用操作系统分配给主线程的时间片段执行。这种做法，相当于操作系统调度进程的主线程；进程的主线程进行二级调度，调度自己内部的线程。

这样操作劣势非常明显，比如无法利用多核优势，每个线程调度分配到的时间较少，而且这种线程在阻塞场景下会直接交出整个进程的执行权限。

由此可见，用户态线程创建成本低，问题明显，不可以利用多核。内核态线程，创建成本高，可以利用多核，切换速度慢。因此通常我们会在内核中预先创建一些线程，并反复利用这些线程。这样，用户态线程和内核态线程之间就构成了下面 4 种可能的关系：

多对一

用户态进程中的多线程复用一个内核态线程。这样，极大地减少了创建内核态线程的成本，但是线程不可以并发。因此，这种模型现在基本上用的很少。程序是存储在内存中的指令，用户态线程是可以准备好程序让内核态线程执行的。后面的几种方式也是利用这样的方法。

一对一

该模型为每个用户态的线程分配一个单独的内核态线程，在这种情况下，每个用户态都需要通过系统调用创建一个绑定的内核线程，并附加在上面执行。这种模型允许所有线程并发执行，能够充分利用多核优势，Windows NT 内核采取的就是这种模型。但是因为线程较多，对内核调度的压力会明显增加。

多对多

这种模式下会为 n 个用户态线程分配 m 个内核态线程。m 通常可以小于 n。一种可行的策略是将 m 设置为核数。这种多对多的关系，减少了内核线程，同时也保证了多核心并发。Linux 目前采用的就是该模型。

用户态线程与内核态线程的两者关系

用户态线程工作在用户空间，内核态线程工作在内核空间。用户态线程调度完全由进程负责，通常就是由进程的主线程负责。相当于进程主线程的延展，使用的是操作系统分配给进程主线程的时间片段。内核线程由内核维护，由操作系统调度。

用户态线程无法跨核心，一个进程的多个用户态线程不能并发，阻塞一个用户态线程会导致进程的主线程阻塞，直接交出执行权限。这些都是用户态线程的劣势。内核线程可以独立执行，操作系统会分配时间片段。因此内核态线程更完整，也称作轻量级进程。内核态线程创建成本高，切换成本高，创建太多还会给调度算法增加压力，因此不会太多。

实际操作中，往往结合两者优势，将用户态线程附着在内核态线程中执行。