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Linux - 用户空间与内核空间简述

系统调用

Linux系统中,有一组用于实现系统功能的子程序,称为系统调用。

这些系统调用并不直接对用户的应用程序提供接口,而是通过C语言函数库,进行了一些封装和扩展,例如文件操作的open,read,write;Socket操作的bind,accept,send等等。

内核空间,用户空间

现代操作系统一般都将运行空间划分为两个,用户空间和内核空间。不同的空间,拥有自己的内存地址范围,在32位操作系统中,一般将最高的1G字节划分为内核空间,供内核使用,而将较低的3G字节划分为用户空间,供各个进程使用。

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其中:

  • 内核空间中存放的是内核代码和数据,而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。
  • 进程在运行的时候,在内核空间和用户空间各有一个堆栈。
  • 用户空间中,每个进程的用户空间是互相独立的,互不相干。
  • 内核空间中,绝大部分是共享的,并不是完全共享,因为内核空间中,不同进程的内核栈之间是不共享的。

内核态,用户态

应用程序如果运行在用户空间,就叫用户态;如果运行在内核空间,就叫内核态。

  • 用户态的进程不能随意操作内核地址空间。

    底层是利用处理器提供的技术,例如Intel x86架构使用了4个级别来标明不同的特权级权限。Linux使用了其中的r0和r3,r0为内核态,r3为用户态。

  • 运行在用户空间时,进程使用的是用户空间中的堆栈;而运行在内核空间时,进程使用的是内核空间中的堆栈。

运行态切换

切换有三种触发方式,这里主要针对系统调用这种方式。这里不涉及运行态切换的细节。

用户态的进程是不能访问内核所占用的内存空间,也不能直接调用内核函数的 ,因此要进行系统调用的时候,就要将进程切换到内核态中去。

切换的时候,会先保护运行上下文,设置要调用的相关信息,然后利用0x80中断,然后进入内核态进行系统调用。

举个栗子

服务端读取一个文件内容,然后发送给用户,大致的过程日下:

需要重点关注的点是,数据从I/O设备中读取之后,会先存放在内核buf中,系统调用完成之后,会将数据从内核buf拷贝到用户空间的buf。

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引用



-=全文完=-