linux内核态

1. 在unix/linux系统中，什么是用户态，什么是内核态

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：

1）例子

C代码
1. void testfork(){
2. if(0 = = fork()){
3. printf(“create new process success!\n”);
4. }
5. printf(“testfork ok\n”);
6. }

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。

2）特权级

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。

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。

2. linux操作系统中内核态和用户态的差别在哪儿

操作系统的内核(kernel)的不同，体现在-可执行文件格式的不同（linux用的是标准的ELF格式，我不了解windows采用什么格式）-系统调用（syscall）不同，系统编程接口不同，导致在两个操作系统间的程序移植比较困难-静态、动态链接库机制、格式不同-开发方式不同，linux内核是开放源码的，而windows是封闭式开发。-等等等等

3. linux中的内核态和用户态的区别，该如何解决

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。

4. Linux 操作系统的“核态”和"管态"有什么区别

进程的内核态和
用户态
有什么区别？？内核态，是系统正运行于操作系统的内核代码内。用户态，系统正运行于用户的应用程序下。总的来说，系统运行在内核态时比运行在用户态时的要求都要严格些，比如，安全，速率，等等。

5. Linux内核态程序和用户态程序的区别

用户态与内核态本质区别是cpu当前的cpl是3或者0。内核态程序可以访问内核空间与用户空间的数据与代码，可以执行一些特权指令（in out sti cli...），用户态程序只能访问用户空间的数据与代码。

6. Linux 内核和 Windows 内核有什么区别

目录

一、什么是内核？

1.1 内核的能力

二、操作系统分层

三、内核是如何工作的？

四、Linux 的设计

4.1 Multitask and SMP（Symmetric multiprocessing）

4.2 ELF（Executable and Linkable Format）

4.3 Monolithic Kernel

4.4 在内核层和在用户层有什么区别？

五、Window 设计

六、总结

说到操作系统，就必须说内核。内核是操作系统中应用连接硬件设备的桥梁。

对于一个现代的操作系统来说，它的内核至少应该提供以下 4 种基本能力：

从上面 4 种能力来看操作系统和内核之间的关系，通常可以把操作系统分成 3 层，最底层的 硬件设备抽象 、中间的 内核 和最上层的 应用 。

内核权限非常高，它可以管理进程、可以 直接访问所有的内存 ，因此确实需要和进程之间有一定的隔离。这个隔离用 类似请求/响应 的模型，非常符合常理。

但不同的是在浏览器、服务端模型中，浏览器和服务端是用 不同的机器在执行 ，因此不需要共享一个 CPU。但是在进程调用内核的过程中，这里是存在资源共享的。

比如，一个机器有 4 个 CPU，不可能让内核用一个 CPU，其他进程用剩下的 CPU。这样太浪费资源了。

再比如，进程向内核请求 100M 的内存，内核把 100M 的数据传回去。 这个模型不可行，因为传输太慢了。

所以，这里多数操作系统的设计都遵循一个原则： 进程向内核发起一个请求，然后将 CPU 执行权限让出给内核。内核接手 CPU 执行权限，然后完成请求，再转让出 CPU 执行权限给调用进程。

Linux 操作系统第一版是1991 年林纳斯托·瓦兹（一个芬兰的小伙子，当时 22 岁）用 C 语音写的。 写完之后他在网络上发布了 Linux 内核的源代码。又经过了 3 年的努力，在 1994 年发布了完整的核心 Version 1.0。

MultiTask 指多任务，Linux 是一个多任务的操作系统。多任务就是多个任务可以同时执行，这里的“同时”并不是要求并发，而是在一段时间内可以执行多个任务。当然 Linux 支持并发。

SMP 指对称多处理。其实是说 Linux 下每个处理器的地位是相等的，内存对多个处理器来说是共享的，每个处理器都可以访问完整的内存和硬件资源。 这个特点决定了在 Linux 上不会存在一个特定的处理器处理用户程序或者内核程序，它们可以被分配到任何一个处理器上执行。

这个名词翻译过来叫作 可执行文件链接格式 。这是一种从 Unix 继承而来的可执行文件的存储格式。我们可以看到 ELF 中把文件分成了一个个分段（Segment），每个段都有自己的作用。

这个名词翻译过来就是宏内核，宏内核反义词就是 Microkernel ，微内核的意思。Linux 是宏内核架构，这说明 Linux 的内核是一个完整的可执行程序，且内核用最高权限来运行。宏内核的特点就是有很多程序会打包在内核中，比如，文件系统、驱动、内存管理等。当然这并不是说，每次安装驱动都需要重新编译内核，现在 Linux 也可以动态加载内核模块。所以哪些模块在内核层，哪些模块在用户层，这是一种系统层的拆分，并不是很强的物理隔离。

与宏内核对应，接下来说说微内核，内核只保留最基本的能力。比如 进程调度、虚拟内存、中断。多数应用，甚至包括驱动程序、文件系统，是在用户空间管理 的。

感觉分层其实差不多。 我这里说一个很大的区别，比如说驱动程序是需要频繁调用底层能力的，如果在内核中，性能肯定会好很多。对于微内核设计，驱动在内核外，驱动和硬件设备交互就需要频繁做内核态的切换。

当然微内核也有它的好处，比如说微内核体积更小、可移植性更强。不过我认为，随着计算能力、存储技术越来越发达， 体积小、安装快 已经不能算是一个很大的优势了。现在更重要的是如何有效利用硬件设备的性能。

之所以这么思考，也可能因为我是带着现代的目光回望当时人们对内核的评判，事实上，当时 Linux 团队也因此争论过很长一段时间。 但是我觉得 历史 往往是螺旋上升的，说不定将来性能发展到了一个新的阶段，像微内核的灵活性、可以提供强大的抽象能力这样的特点，又重新受到人们的重视。

还有一种就是 混合类型内核 。 混合类型的特点就是架构像微内核，内核中会有一个最小版本的内核，其他功能会在这个能力上搭建。但是实现的时候，是用宏内核的方式实现的，就是内核被做成了一个完整的程序，大部分功能都包含在内核中。就是在宏内核之内有抽象出了一个微内核。

Windows 和 Linux 的设计有很大程度的相似性。Windows也有内核，它的内核是 C/C++ 写的。准确地说，Windows 有两个内核版本。一个是早期的Windows 9x 内核，早期的 Win95, Win98 都是这个内核。我们今天用的 Windows 7, Windows 10 是另一个内核，叫作 Windows NT。NT 指的是 New Technology。接下来我们讨论的都是 NT 版本的内核。

下面我找到一张 Windows 内核架构的图片给你一个直观感受。

Windows 同样支持 Multitask 和 SMP（对称多处理）。Windows 的内核设计属于混合类型。你可以看到内核中有一个 Microkernel 模块。而整个内核实现又像宏内核一样，含有的能力非常多，是一个完整的整体。

Windows 下也有自己的可执行文件格式，这个格式叫作 Portable Executable（PE），也就是可移植执行文件，扩展名通常是.exe、.dll、.sys等。

PE 文件的结构和 ELF 结构有很多相通的地方，我找到了一张图片帮助你更直观地理解。

Windows 还有很多独特的能力，比如 Hyper-V 虚拟化技术.

这一讲我们学习了内核的基础知识，包括内核的作用、整体架构以及 3 种内核类型（ 宏内核、微内核和混合类型内核 ）。

内核很小（微内核）方便移植，因为体积小、安装快；内核大（宏内核），方便优化性能，毕竟内核更了解计算机中的资源。

Linux 内核和 Windows 内核有什么区别？

【解析】 Windows 有两个内核，最新的是 NT 内核，目前主流的 Windows 产品都是 NT 内核。NT 内核和 Linux 内核非常相似，没有太大的结构化差异。

从整体设计上来看， Linux 是宏内核 ， NT 内核属于混合型内核 。和微内核不同，宏内核和混合类型内核从实现上来看是一个完整的程序。只不过混合类型内核内部也抽象出了微内核的概念，从内核内部看混合型内核的架构更像微内核。

另外 NT 内核和 Linux 内核还存在着许多其他的差异，比如：

7. 如何让linux的一段程序代码进入内核态运行

需要让linux的一段程序代码进入内核态运行产生的方式有二：

1. 被动式

2. 主动式

所谓被动式就是产生中断或者代码产出异常，代码不得不从用户态进入内核态进行中断操作或者是异常处理；

而主动式则是系统响应了程序对系统的一次调用过程，并且系统允许该运行级别的提升；

8. Linux内核态程序和用户态程序的区别

操作系统的内核(kernel)的不同，体现在-可执行文件格式的不同（linux用的是标准的ELF格式，我不了解windows采用什么格式）-
系统调用
（syscall）不同，
系统编程
接口不同，导致在两个操作系统间的程序移植比较困难-静态、
动态链接库
机制、格式不同...

9. linux进程处于内核态会被更高优先级抢占吗

内核态抢占(Kernel
Preemption)
在2.6
kernel以前，kernelcode(中断和系统调用属于kernel
code)会一直运行，直到code被完成或者被阻塞(系统调用可以被阻塞)。在
2.6kernel里，Linuxkernel变成可抢占式。当从中断处理例程返回到内核态(kernel-space)时，kernel会检查是否可以抢占和是否需要重新调度。kernel可以在任何时间点上抢占一个任务(因为中断可以发生在任何时间点上)，只要在这个时间点上kernel的状态是安全的、可重新调度的。

10. Linux - 用户态内存映射 和 内核态内存映射

操作系统的内存管理，主要分为三个方面。
第一，物理内存的管理，相当于会议室管理员管理会议室。
第二，虚拟地址的管理，也即在项目组的视角，会议室的虚拟地址应该如何组织。
第三，虚拟地址和物理地址如何映射，也即会议室管理员如果管理映射表。

那么虚拟地址和物理地址如何映射呢？

每一个进程都有一个列表vm_area_struct，指向虚拟地址空间的不同的内存块，这个变量的名字叫mmap。

其实内存映射不仅仅是物理内存和虚拟内存之间的映射，还包括将文件中的内容映射到虚拟内存空间。这个时候，访问内存空间就能够访问到文件里面的数据。而仅有物理内存和虚拟内存的映射，是一种特殊情况。

如果我们要申请小块内存，就用brk。brk函数之前已经解析过了，这里就不多说了。如果申请一大块内存，就要用mmap。对于堆的申请来讲，mmap是映射内存空间到物理内存。

另外，如果一个进程想映射一个文件到自己的虚拟内存空间，也要通过mmap系统调用。这个时候mmap是映射内存空间到物理内存再到文件。可见mmap这个系统调用是核心，我们现在来看mmap这个系统调用。

用户态的内存映射机制包含以下几个部分。

物理内存根据NUMA架构分节点。每个节点里面再分区域。每个区域里面再分页。

物理页面通过伙伴系统进行分配。分配的物理页面要变成虚拟地址让上层可以访问，kswapd可以根据物理页面的使用情况对页面进行换入换出。

对于内存的分配需求，可能来自内核态，也可能来自用户态。

对于内核态，kmalloc在分配大内存的时候，以及vmalloc分配不连续物理页的时候，直接使用伙伴系统，分配后转换为虚拟地址，访问的时候需要通过内核页表进行映射。

对于kmem_cache以及kmalloc分配小内存，则使用slub分配器，将伙伴系统分配出来的大块内存切成一小块一小块进行分配。

kmem_cache和kmalloc的部分不会被换出，因为用这两个函数分配的内存多用于保持内核关键的数据结构。内核态中vmalloc分配的部分会被换出，因而当访问的时候，发现不在，就会调用do_page_fault。

对于用户态的内存分配，或者直接调用mmap系统调用分配，或者调用malloc。调用malloc的时候，如果分配小的内存，就用sys_brk系统调用；如果分配大的内存，还是用sys_mmap系统调用。正常情况下，用户态的内存都是可以换出的，因而一旦发现内存中不存在，就会调用do_page_fault。