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用户态VS内核态.md

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内核态 VS 用户态

x86 CPU提供了4种工作状态:0, 1, 2, 3,数字越小表示CPU的特权约大,0号下CPU特权最大,可以执行任何指令。

通过这种设计来保证安全性。一般情况下系统只使用0和3,即 用户态(3) 以及 内核态(0)。

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内核态 Kernel Mode

CPU执行操作系统代码时就处于内核态,在内核态下CPU可以执行任何机器指令、访问所有地址空间、不受限制的访问任何硬件。

用户态 User Mode

CPU执行我们写的程序时就处于用户态。在用户态我们的代码处处受限,不能直接访问硬件、不能访问特定地址空间(比如,尝试写一块属于操作系统的内存),或以错误的类型访问内存区域(比如,尝试写一块只读内存),否则操作系统直接将你 kill 掉,这就是著名的Segmentation fault、不能执行特权指令,等等。

系统调用 System Call

普通程序永远也去不了内核态,只能以通信的方式从用户态往内核态传递信息。操作系统为普通程序员留了一些特定的 函数(接口),如 read(), write(), open(), socket() 等函数,通过调用这些函数就能向操作系统请求服务了,这些函数被称为系统调用 System Call。通过系统调用我们可以让操作系统代替我们完成一些事情,像打开文件、网络通信等等。调用时便称为 陷入内核态

你可能有些疑惑,什么,还有系统调用这种东西,为什么我没调用过也可以打开文件、进行网络通信?

标准库

虽然我们可以通过系统让操作系统替我们完成一些特定任务,但这些系统调用都是和操作系统强相关的,Linux和Windows的系统调用就完全不同。

如果你直接使用系统调用的话,那么Linux版本的程序就没有办法在Windows上运行,因此我们需要某种标准,该标准对程序员屏蔽底层差异,这样程序员写的程序就无需修改的在不同操作系统上运行了。

在语言中,这就是所谓的标准库。比如 goruntime 包,里面对不同系统的 syscall 类函数进行了封装

注意,标准库代码也是运行在用户态的,一般来说,我们调用标准库去打开文件、网络通信等等,标准库再根据操作系统选择对应的系统调用。

从分层的角度看,我们的程序一般都是这样的汉堡包类型:

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最上层是应用程序,应用程序一般只和标准库打交道 (当然,我们也可以绕过标准库),标准库通过系统调用和操作系统交互,操作系统管理底层硬件。

这就是为什么在C语言同样的 open 函数既能在Linux下打开文件也能在Windows下打开文件的原因。

参考

码农的荒岛求生 - 申请内存时底层发生了什么?