1、特權(quán)級(jí)
Intel x86架構(gòu)的cpu一共有0～4四個(gè)特權(quán)級(jí)，0級(jí)最高，3級(jí)最低，硬件上在執(zhí)行每條指令時(shí)都會(huì)對(duì)指令所具有的特權(quán)級(jí)做相應(yīng)的檢查。硬件已經(jīng)提供了一套特權(quán)級(jí)使用的相關(guān)機(jī)制，軟件自然要好好利用，這屬于操作系統(tǒng)要做的事情，對(duì)于UNIX/LINUX來(lái)說(shuō)，只使用了0級(jí)特權(quán)級(jí)別和3級(jí)特權(quán)級(jí)。也就是說(shuō)在UNIX/LINUX系統(tǒng)中，一條工作在0級(jí)特權(quán)級(jí)的指令具有了CPU能提供的最高權(quán)力，而一條工作在3級(jí)特權(quán)的指令具有CPU提供的最低或者說(shuō)最基本權(quán)力
2、用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)
內(nèi)核棧：Linux中每個(gè)進(jìn)程有兩個(gè)棧，分別用于用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)的進(jìn)程執(zhí)行，其中的內(nèi)核棧就是用于內(nèi)核態(tài)的堆棧，它和進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)，更具體的是thread_info結(jié)構(gòu)一起放在兩個(gè)連續(xù)的頁(yè)框大小的空間內(nèi)。
現(xiàn)在我們從特權(quán)級(jí)的調(diào)度來(lái)理解用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)就比較好理解了，當(dāng)程序運(yùn)行在3級(jí)特權(quán)級(jí)上時(shí)，就可以稱(chēng)之為運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)，因?yàn)檫@是最低特權(quán)級(jí)，是普通的用戶(hù)進(jìn)程運(yùn)行的特權(quán)級(jí)，大部分用戶(hù)直接面對(duì)的程序都是運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)；反之，當(dāng)程序運(yùn)行在0級(jí)特權(quán)級(jí)上時(shí)，就可以稱(chēng)之為運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。
雖然用戶(hù)態(tài)下和內(nèi)核態(tài)下工作的程序有很多差別，但最重要的差別就在于特權(quán)級(jí)的不同，即權(quán)力的不同。運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)的程序不能訪(fǎng)問(wèn)操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合程序。 當(dāng)我們?cè)谙到y(tǒng)中執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，大部分時(shí)間是運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)下的。在其需要操作系統(tǒng)幫助完成某些它沒(méi)有權(quán)力和能力完成的工作時(shí)就會(huì)切換到內(nèi)核態(tài)。
Linux進(jìn)程的4GB地址空間，3G-4G部分大家是共享的，是內(nèi)核態(tài)的地址空間，這里存放在整個(gè)內(nèi)核的代碼和所有的內(nèi)核模塊，以及內(nèi)核所維護(hù)的數(shù)據(jù)。用戶(hù)運(yùn)行一個(gè)程序，該程序所創(chuàng)建的進(jìn)程開(kāi)始是運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)的，如果要執(zhí)行文件操作，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送等操作，必須通過(guò)write，send等系統(tǒng)調(diào)用，這些系統(tǒng)調(diào)用會(huì)調(diào)用內(nèi)核中的代碼來(lái)完成操作，這時(shí)，必須切換到Ring0eip系統(tǒng)，然后進(jìn)入3GB-4GB中的內(nèi)核地址空間去執(zhí)行這些代碼完成操作，完成后，切換回Ring3，回到用戶(hù)態(tài)。這樣，用戶(hù)態(tài)的程序就不能隨意操作內(nèi)核地址空間，具有一定的安全保護(hù)作用。 保護(hù)模式，通過(guò)內(nèi)存頁(yè)表操作等機(jī)制，保證進(jìn)程間的地址空間不會(huì)互相沖突，一個(gè)進(jìn)程的操作不會(huì)修改另一個(gè)進(jìn)程的地址空間中的數(shù)據(jù)。在內(nèi)核態(tài)下，CPU可執(zhí)行任何指令，在用戶(hù)態(tài)下CPU只能執(zhí)行非特權(quán)指令。當(dāng)CPU處于內(nèi)核態(tài)，可以隨意進(jìn)入用戶(hù)態(tài)；而當(dāng)CPU處于用戶(hù)態(tài)，只能通過(guò)中斷的方式進(jìn)入內(nèi)核態(tài)。一般程序一開(kāi)始都是運(yùn)行于用戶(hù)態(tài)，當(dāng)程序需要使用系統(tǒng)資源時(shí)，就必須通過(guò)調(diào)用軟中斷進(jìn)入內(nèi)核態(tài).
3、用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換
1）用戶(hù)態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的3種方式
a. 系統(tǒng)調(diào)用
這是用戶(hù)態(tài)進(jìn)程主動(dòng)要求切換到內(nèi)核態(tài)的一種方式，用戶(hù)態(tài)進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用申請(qǐng)使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作。而系統(tǒng)調(diào)用的機(jī)制，其核心還是使用了操作系統(tǒng)為用戶(hù)特別開(kāi)放的一個(gè)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如lx86的int 80h， powerpc的sc
b. 異常
當(dāng)CPU在執(zhí)行運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)下的程序時(shí)，發(fā)生了某些事先不可知的異常，這時(shí)會(huì)觸發(fā)由當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程切換到處理此異常的內(nèi)核相關(guān)的程序中，也就是轉(zhuǎn)到了內(nèi)核態(tài)，比如缺頁(yè)異常。
c. 外圍設(shè)備的中斷
當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶(hù)請(qǐng)求的操作后，會(huì)向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信號(hào)，這時(shí)CPU會(huì)暫停執(zhí)行下一條即將要執(zhí)行的指令轉(zhuǎn)而去執(zhí)行與中斷信號(hào)對(duì)應(yīng)的處理程序，如果先前執(zhí)行的指令是用戶(hù)態(tài)下的程序，那么這個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程自然也就發(fā)生了由用戶(hù)態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。比如硬盤(pán)讀寫(xiě)操作的完成，系統(tǒng)會(huì)切換到硬盤(pán)讀寫(xiě)的中斷處理程序中執(zhí)行后續(xù)操作等。
這3種方式是系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)由用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)的最主要方式，其中系統(tǒng)調(diào)用可以認(rèn)為是用戶(hù)進(jìn)程主動(dòng)發(fā)起的，異常和外圍中斷是被動(dòng)的。
4、具體的切換操作
從觸發(fā)方式上看，可以認(rèn)為純?cè)谇笆?種不同的類(lèi)型，但是從最終實(shí)際完成由用戶(hù)態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換操作上來(lái)說(shuō)，涉及的關(guān)鍵步驟是完全一致的，沒(méi)有任何區(qū)別，都相當(dāng)于執(zhí)行了一個(gè)中斷響應(yīng)的過(guò)程，因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)用實(shí)際上最終是中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，而異常和中斷的處理機(jī)制基本上也是一致的。關(guān)于中斷處理機(jī)制的細(xì)節(jié)合步驟這里不做過(guò)多分析，涉及到有用戶(hù)態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的步驟主要包括：
【1】從當(dāng)前進(jìn)程的描述符中提取其內(nèi)核棧的ss0及esp0信息
【2】使用ss0和esp0指向的內(nèi)核棧將當(dāng)前進(jìn)程的cseip系統(tǒng)，eip，eflags，ss，esp信息保存起來(lái)，這個(gè)過(guò)程也完成了由用戶(hù)棧到內(nèi)核棧的切換過(guò)程，同時(shí)保存了被暫停執(zhí)行的程序的下一條指令。
【3】將先前又中斷向量檢索得到的中斷處理程序的cs，eip信息裝入相應(yīng)的寄存器，開(kāi)始執(zhí)行中斷處理程序，這時(shí)就轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)的程序執(zhí)行了。
