不知道大家有沒有思考過這樣一個(gè)問題:什么是處理器（CPU）的狀態(tài)？🤔

其實(shí)CPU和人一樣,沒有執(zhí)行程序的時(shí)候,是沒有什么狀態(tài)的,當(dāng)它執(zhí)行的程序是用戶程序的時(shí)候就叫用戶態(tài)，當(dāng)執(zhí)行的程序是操作系統(tǒng)的代碼時(shí)就叫系統(tǒng)態(tài)或者內(nèi)核態(tài).

接下來,我們就來談?wù)剝?nèi)核態(tài)和用戶態(tài).

目錄

1.內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的概念?

2.內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的區(qū)別

3.特權(quán)指令和非特權(quán)指令?

這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的HelloWorld程序

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1.內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的概念?

內(nèi)核態(tài):可以訪問所有的硬件設(shè)備,也可以執(zhí)行硬件上能夠運(yùn)行的各種指令

用戶態(tài):只能執(zhí)行一部分機(jī)器指令,不可以運(yùn)行I/O命令或者影響機(jī)器控制的命令

?操作系統(tǒng)是運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的,而操作系統(tǒng)提供的用戶接口程序和支持的應(yīng)用程序,是運(yùn)行在用戶態(tài)的.

?

2.內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的區(qū)別

那么,用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)又有什么區(qū)別呢?

📢我們先看內(nèi)核態(tài).在內(nèi)核態(tài)上運(yùn)行的所有程序,都是可以訪問所有的硬件資源的,可以在硬件上執(zhí)行各種指令

📢而用戶態(tài),只能執(zhí)行一部分指令.對(duì)于那些影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的指令,還有I/O指令,都是不允許執(zhí)行的.

?

但是有的人可能會(huì)提出疑問,我可以使用fopen()函數(shù)打開一個(gè)文件,并且還能對(duì)這個(gè)文件進(jìn)行讀寫操作,我這個(gè)程序也是運(yùn)行在用戶態(tài)的,但是我可以做I/O操作呀.😦

其實(shí)我們不知道的是,C語言他默默幫我們封裝了一個(gè)glibc庫函數(shù),并在里面調(diào)用了系統(tǒng)函數(shù),然后由操作系統(tǒng)根據(jù)你傳入的指令,比如打開文件指令,讀取文件指令,去操作硬盤上的硬件,因此,glibc內(nèi)部封裝了一個(gè)接口程序,通過這個(gè)接口程序,去調(diào)用內(nèi)核態(tài)的指令.🤗

3.特權(quán)指令和非特權(quán)指令?

在計(jì)算機(jī)中,存在指令集,指令集中有些指令是用戶態(tài)上可以運(yùn)行,有的只有在內(nèi)核態(tài)上才能運(yùn)行.

?我們將只有操作系統(tǒng)能使用，而用戶不能使用的指令稱為特權(quán)指令。

?而有一部分指令用戶態(tài)和操作系統(tǒng)都能使用的就叫做非特權(quán)指令。

?因?yàn)椴豢赡茏寫?yīng)用程序或者程序員去擅自訪問某個(gè)扇區(qū)中的二進(jìn)制數(shù)據(jù),必須要經(jīng)過文件系統(tǒng)才能訪問扇區(qū)中的數(shù)據(jù).

🐞我們舉個(gè)簡(jiǎn)單例子來說明:

這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的HelloWorld程序

#include<stdio.h>
int main()
{char str[]="Hello World\n";printf("%s",str);return 0;
}

通過這個(gè)圖我們可以看出來,在這個(gè)程序中,main函數(shù)肯定是運(yùn)行在用戶態(tài)的,在main函數(shù)中,還執(zhí)行了一個(gè)printf函數(shù),將HelloWorld打印輸出到顯示器中.?

它是將內(nèi)存中的HelloWorld輸出到控制臺(tái),目前這個(gè)printf函數(shù)是運(yùn)行在用戶態(tài)的,只不過打印輸出的時(shí)候,printf肯定要和外部設(shè)備,比如說顯示器打交道.

我們都知道操作系統(tǒng)內(nèi)部有一個(gè)out指令,他就可以將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)輸出到控制臺(tái),或者說輸出到顯示器中,所以這個(gè)時(shí)候,我們一定要做一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用,讓這個(gè)printf()跑到內(nèi)核態(tài)中去執(zhí)行.這個(gè)時(shí)候,也就是調(diào)用了操作系統(tǒng)的一個(gè)系統(tǒng)方法,或者說叫內(nèi)部接口來和硬件交互.

我們首先使用gcc對(duì)這段代碼進(jìn)行編譯,然后使用strace工具對(duì)代碼進(jìn)行跟蹤.

?這個(gè)write()函數(shù)就是glibc封裝的系統(tǒng)函數(shù)write(),也就是這個(gè)printf()函數(shù)在內(nèi)部調(diào)用的系統(tǒng)函數(shù)write().

既然printf()調(diào)用的是write()函數(shù),那么我們其實(shí)就可以直接將printf()函數(shù)替換為write()函數(shù)

#include<unistd.h>
int main()
{char msg[]="hello world\n";write(STDOUT_FILENO,msg,sizeof(msg)-1);return 0;
}

我們?cè)俅螌?duì)程序進(jìn)行編譯,并且使用gdb跟蹤調(diào)試.?

?

1. ?我們首先在write處打斷點(diǎn)
2. 然后run單步運(yùn)行
3. 最后進(jìn)行反匯編?

確認(rèn)了在write()函數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用中,是通過syscall指令來將用戶態(tài)陷入到了內(nèi)核態(tài).

接下來我們來看看用戶態(tài)是如何切換到內(nèi)核態(tài)的.?

1.將參數(shù)保存到寄存器中

這里也就是printf()的參數(shù),或者說,在printf()內(nèi)部調(diào)用的系統(tǒng)函數(shù)write()的參數(shù)

2.根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用名稱(也就是write()方法名)找到它的系統(tǒng)調(diào)用號(hào).

這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)在哪里找呢?有一張系統(tǒng)調(diào)用映射表,這個(gè)映射表不僅在內(nèi)核中維護(hù)了這樣一張表,在glibc的庫函數(shù)中,也維護(hù)了這樣一張表,因此,我們就能夠找到write()方法的系統(tǒng)調(diào)用號(hào).

內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間通信就是通過系統(tǒng)調(diào)用號(hào)來進(jìn)行的.

3.通過匯編指令syscall將用戶態(tài)陷入到內(nèi)核態(tài),通過調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用號(hào)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)方法以及相關(guān)寄存器,來完成指令.

概括起來就是說,從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài),就是用戶態(tài)的應(yīng)用程序要向內(nèi)核態(tài)去申請(qǐng)外部資源,這個(gè)外部資源說通俗點(diǎn)也就是只有內(nèi)核態(tài)才有權(quán)限執(zhí)行的命令,就是外部資源.

說的更直白一點(diǎn),就是當(dāng)我們拆開一臺(tái)服務(wù)器或者筆記本,肉眼可見的都屬于外部資源,包括CPU,N=內(nèi)存,網(wǎng)卡,硬盤,USB接口等等,都屬于外部資源?

而系統(tǒng)調(diào)用,就是我們今天講的syscall,就是最常見的陷入方式.

系統(tǒng)調(diào)用還有其它方式,分為5類

• 進(jìn)程? exit? fork
• 文件? chomd? chown? open
• 設(shè)備? read? ?write
• 信息? getXXX? setXXX
• 通信? mmap? ?sendfile

我們可以通過man syscalls命令來查看具體的系統(tǒng)調(diào)用

man syscalls