進程的用戶態和內核態的概念理解以及切換

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內核態:

當一個任務(進程)執行系統調用而陷入內核代碼中執行時,我們就稱進程處於內核運行態。此時處理器處於特權級最高的(0級)內核代碼中執行。當進程處於內核態時,執行的內核代碼會使用當前進程的內核棧。

用戶態:

每個進程都有自己的內核棧。當進程在執行用戶自己的代碼時,則稱其處於用戶運行態。即此時處理器在特權級最低的(3級)用戶代碼中運行。當正在執行用戶程序而突然被中斷程序中斷時,此時用戶程序也可以象徵性地稱爲處於進程的內核態。因爲中斷處理程序將使用當前進程的內核棧。這與處於內核態的進程的狀態有些類似。 

用戶態和內核態的區別:

用戶態下和內核態下工作的程序有很多差別,但最重要的差別就在於特權級的不同,即權力的不同。運行在用戶態下的程序不能直接訪問操作系統內核數據結構和程序。

特權級:

舉個例子,fork()函數,對於任何操作系統來說,創建一個新的進程都是屬於核心功能,因爲它要做很多底層細緻地工作,消耗系統的物理資源,比如分配物理內存,從父進程拷貝相關信息,拷貝設置頁目錄頁表等等,這些顯然不能隨便讓哪個程序就能去做,於是就自然引出特權級別的概念,顯然,最關鍵性的權力必須由高特權級的程序來執行,這樣纔可以做到集中管理,減少有限資源的訪問和使用衝突。

 

用戶態切換到內核態的3種方式

1. 系統調用

這是用戶態進程主動要求切換到內核態的一種方式,用戶態進程通過系統調用申請使用操作系統提供的服務程序完成工作,比如前例中fork()實際上就是執行了一個創建新進程的系統調用。而系統調用的機制其核心還是使用了操作系統爲用戶特別開放的一箇中斷來實現,例如Linux的int 80h中斷。

2.異常

當CPU在執行運行在用戶態下的程序時,發生了某些事先不可知的異常,這時會觸發由當前運行進程切換到處理此異常的內核相關程序中,也就轉到了內核態,比如缺頁異常。

3.外圍設備的中斷

當外圍設備完成用戶請求的操作後,會向CPU發出相應的中斷信號,這時CPU會暫停執行下一條即將要執行的指令轉而去執行與中斷信號對應的處理程序,如果先前執行的指令是用戶態下的程序,那麼這個轉換的過程自然也就發生了由用戶態到內核態的切換。比如硬盤讀寫操作完成,系統會切換到硬盤讀寫的中斷處理程序中執行後續操作等。

這3種方式是系統在運行時由用戶態轉到內核態的最主要方式,其中系統調用可以認爲是用戶進程主動發起的,異常和外圍設備中斷則是被動的。

 

具體的切換操作

從觸發方式上看,可以認爲存在前述3種不同的類型,但是從最終實際完成由用戶態到內核態的切換操作上來說,涉及的關鍵步驟是完全一致的,沒有任何區別,都相當於執行了一箇中斷響應的過程,因爲系統調用實際上最終是中斷機制實現的,而異常和中斷的處理機制基本上也是一致的,關於它們的具體區別這裏不再贅述。關於中斷處理機制的細節和步驟這裏也不做過多分析,涉及到由用戶態切換到內核態的步驟主要包括:

1.從當前進程的描述符中提取其內核棧的ss0及esp0信息。

2.使用ss0和esp0指向的內核棧將當前進程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起來,這個過程也完成了由用戶棧到內核棧的切換過程,同時保存了z暫停執行的程序的下一條指令。

3.將先前由中斷向量檢索得到的中斷處理程序的cs,eip信息裝入相應的寄存器,開始執行中斷處理程序,這時就轉到了內核態的程序執行了。

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