Linux為什么要區(qū)分內(nèi)核空間與用戶空間？|每日動(dòng)態(tài)

本文以 32 位系統(tǒng)為例介紹內(nèi)核空間(kernel space)和用戶空間(user space)。

(資料圖片)

內(nèi)核空間和用戶空間

對 32 位操作系統(tǒng)而言，它的尋址空間（虛擬地址空間，或叫線性地址空間）為 4G（2的32次方）。也就是說一個(gè)進(jìn)程的最大地址空間為 4G。

操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核(kernel)，它獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序，可以訪問受保護(hù)的內(nèi)存空間，也有訪問底層硬件設(shè)備的所有權(quán)限。為了保證內(nèi)核的安全，現(xiàn)在的操作系統(tǒng)一般都強(qiáng)制用戶進(jìn)程不能直接操作內(nèi)核。

具體的實(shí)現(xiàn)方式基本都是由操作系統(tǒng)將虛擬地址空間劃分為兩部分，一部分為內(nèi)核空間，另一部分為用戶空間。針對 Linux操作系統(tǒng)而言，最高的 1G 字節(jié)(從虛擬地址 0xC0000000 到 0xFFFFFFFF)由內(nèi)核使用，稱為內(nèi)核空間。而較低的 3G 字節(jié)(從虛擬地址 0x00000000 到 0xBFFFFFFF)由各個(gè)進(jìn)程使用，稱為用戶空間。

對上面這段內(nèi)容我們可以這樣理解：

「每個(gè)進(jìn)程的 4G 地址空間中，最高 1G 都是一樣的，即內(nèi)核空間。只有剩余的 3G 才歸進(jìn)程自己使用?！埂笓Q句話說就是， 最高 1G 的內(nèi)核空間是被所有進(jìn)程共享的！」

下圖描述了每個(gè)進(jìn)程 4G 地址空間的分配情況(此圖來自互聯(lián)網(wǎng))：

為什么需要區(qū)分內(nèi)核空間與用戶空間

在 CPU的所有指令中，有些指令是非常危險(xiǎn)的，如果錯(cuò)用，將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，比如清內(nèi)存、設(shè)置時(shí)鐘等。如果允許所有的程序都可以使用這些指令，那么系統(tǒng)崩潰的概率將大大增加。

所以，CPU 將指令分為特權(quán)指令和非特權(quán)指令，對于那些危險(xiǎn)的指令，只允許操作系統(tǒng)及其相關(guān)模塊使用，普通應(yīng)用程序只能使用那些不會(huì)造成災(zāi)難的指令。比如 Intel的 CPU 將特權(quán)等級分為 4 個(gè)級別：Ring0~Ring3。

其實(shí) Linux 系統(tǒng)只使用了 Ring0 和 Ring3 兩個(gè)運(yùn)行級別(Windows 系統(tǒng)也是一樣的)。當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行在 Ring3 級別時(shí)被稱為運(yùn)行在用戶態(tài)，而運(yùn)行在 Ring0 級別時(shí)被稱為運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。

內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)

好了我們現(xiàn)在需要再解釋一下什么是內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)：

「當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行在內(nèi)核空間時(shí)就處于內(nèi)核態(tài)，而進(jìn)程運(yùn)行在用戶空間時(shí)則處于用戶態(tài)?！?/p>

在內(nèi)核態(tài)下，進(jìn)程運(yùn)行在內(nèi)核地址空間中，此時(shí) CPU 可以執(zhí)行任何指令。運(yùn)行的代碼也不受任何的限制，可以自由地訪問任何有效地址，也可以直接進(jìn)行端口的訪問。

在用戶態(tài)下，進(jìn)程運(yùn)行在用戶地址空間中，被執(zhí)行的代碼要受到 CPU 的諸多檢查，它們只能訪問映射其地址空間的頁表項(xiàng)中規(guī)定的在用戶態(tài)下可訪問頁面的虛擬地址，且只能對任務(wù)狀態(tài)段(TSS)中 I/O 許可位圖(I/O Permission Bitmap)中規(guī)定的可訪問端口進(jìn)行直接訪問。

對于以前的 DOS 操作系統(tǒng)來說，是沒有內(nèi)核空間、用戶空間以及內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)這些概念的?？梢哉J(rèn)為所有的代碼都是運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的，因而用戶編寫的應(yīng)用程序代碼可以很容易的讓操作系統(tǒng)崩潰掉。

對于 Linux 來說，通過區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間的設(shè)計(jì)，隔離了操作系統(tǒng)代碼(操作系統(tǒng)的代碼要比應(yīng)用程序的代碼健壯很多)與應(yīng)用程序代碼。即便是單個(gè)應(yīng)用程序出現(xiàn)錯(cuò)誤也不會(huì)影響到操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這樣其它的程序還可以正常的運(yùn)行(Linux 可是個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)?。?。

「所以，區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間本質(zhì)上是要提高操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可用性。」

如何從用戶空間進(jìn)入內(nèi)核空間

其實(shí)所有的系統(tǒng)資源管理都是在內(nèi)核空間中完成的。比如讀寫磁盤文件，分配回收內(nèi)存，從網(wǎng)絡(luò)接口讀寫數(shù)據(jù)等等。我們的應(yīng)用程序是無法直接進(jìn)行這樣的操作的。但是我們可以通過內(nèi)核提供的接口來完成這樣的任務(wù)。

比如應(yīng)用程序要讀取磁盤上的一個(gè)文件，它可以向內(nèi)核發(fā)起一個(gè)「"系統(tǒng)調(diào)用"」告訴內(nèi)核："我要讀取磁盤上的某某文件"。其實(shí)就是通過一個(gè)特殊的指令讓進(jìn)程從用戶態(tài)進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)(到了內(nèi)核空間)，在內(nèi)核空間中，CPU 可以執(zhí)行任何的指令，當(dāng)然也包括從磁盤上讀取數(shù)據(jù)。

具體過程是先把數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)核空間中，然后再把數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間并從內(nèi)核態(tài)切換到用戶態(tài)。此時(shí)應(yīng)用程序已經(jīng)從系統(tǒng)調(diào)用中返回并且拿到了想要的數(shù)據(jù)，可以開開心心的往下執(zhí)行了。

簡單說就是應(yīng)用程序把高科技的事情(從磁盤讀取文件)外包給了系統(tǒng)內(nèi)核，系統(tǒng)內(nèi)核做這些事情既專業(yè)又高效。

對于一個(gè)進(jìn)程來講，從用戶空間進(jìn)入內(nèi)核空間并最終返回到用戶空間，這個(gè)過程是十分復(fù)雜的。舉個(gè)例子，比如我們經(jīng)常接觸的概念 "堆棧"，其實(shí)進(jìn)程在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)各有一個(gè)堆棧。運(yùn)行在用戶空間時(shí)進(jìn)程使用的是用戶空間中的堆棧，而運(yùn)行在內(nèi)核空間時(shí)，進(jìn)程使用的是內(nèi)核空間中的堆棧。所以說，Linux 中每個(gè)進(jìn)程有兩個(gè)棧，分別用于用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。

下圖簡明的描述了用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的轉(zhuǎn)換：

既然用戶態(tài)的進(jìn)程必須切換成內(nèi)核態(tài)才能使用系統(tǒng)的資源，那么我們接下來就看看進(jìn)程一共有多少種方式可以從用戶態(tài)進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)。

概括的說，有三種方式：系統(tǒng)調(diào)用、軟中斷和硬件中斷。這三種方式每一種都涉及到大量的操作系統(tǒng)知識(shí)，所以這里不做展開。

整體結(jié)構(gòu)

接下來我們從內(nèi)核空間和用戶空間的角度看一看整個(gè) Linux 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。它大體可以分為三個(gè)部分，從下往上依次為：硬件 -> 內(nèi)核空間 -> 用戶空間。如下圖所示(此圖來自互聯(lián)網(wǎng))：

在硬件之上，內(nèi)核空間中的代碼控制了硬件資源的使用權(quán)，用戶空間中的代碼只有通過內(nèi)核暴露的「系統(tǒng)調(diào)用接口(System Call Interface)」才能使用到系統(tǒng)中的硬件資源。其實(shí)，不光是 Linux，Windows 操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是大同小異。

實(shí)際上我們可以將每個(gè)處理器在任何指定時(shí)間點(diǎn)上的活動(dòng)概括為下列三者之一：

「運(yùn)行于用戶空間，執(zhí)行用戶進(jìn)程?！?/p>

「運(yùn)行于內(nèi)核空間，處于進(jìn)程上下文，代表某個(gè)特定的進(jìn)程執(zhí)行?！?/p>

「運(yùn)行于內(nèi)核空間，處于中斷上下文，與任何進(jìn)程無關(guān)，處理某個(gè)特定的中斷?！?/p>

以上三點(diǎn)幾乎包括所有的情況，比如當(dāng) CPU 空閑時(shí)，內(nèi)核就運(yùn)行一個(gè)空進(jìn)程，處于進(jìn)程上下文，但運(yùn)行在內(nèi)核空間。

說明：Linux 系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序不在進(jìn)程的上下文中執(zhí)行，它們在一個(gè)與所有進(jìn)程都無關(guān)的、專門的中斷上下文中執(zhí)行。之所以存在一個(gè)專門的執(zhí)行環(huán)境，就是為了保證中斷服務(wù)程序能夠在第一時(shí)間響應(yīng)和處理中斷請求，然后快速地退出。

總結(jié)

現(xiàn)代的操作系統(tǒng)大都通過內(nèi)核空間和用戶空間的設(shè)計(jì)來保護(hù)操作系統(tǒng)自身的安全性和穩(wěn)定性。所以在我們閱讀有關(guān)操作系統(tǒng)的資料時(shí)經(jīng)常遇到內(nèi)核空間、用戶空間和內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)等概念，希望本文能夠幫助您理解這些基本的概念。

審核編輯：湯梓紅

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