深入理解：Linux内核态的进入方式(linux进入内核态)

Linux是一种非常强大的操作系统，在开发、服务器、嵌入式等领域有着广泛的应用。与其他操作系统不同，Linux内核在设计上采用了“内核态”和“用户态”的概念，用户态是指应用程序运行的环境，而内核态则是指内核运行的环境。在Linux中，内核态具有更高的权限和更多的功能，用户可以通过各种方式进入内核态，从而实现更多的操作。本文将深入了解Linux内核态的进入方式。

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1. 系统调用

系统调用是Linux内核与用户程序之间通信的一种非常常见和基础的方法。当用户程序需要执行一种特殊功能时，如读取文件或进行网络连接等，用户程序就会向内核发出请求，内核会执行操作并返回结果。这个过程就是系统调用。

系统调用是Linux内核直接提供给用户程序的接口。用户通过特定的库函数调用系统调用，使得程序进入内核态。系统调用常常被使用在I/O操作、进程控制、文件管理、进程间通信等场景中。常见的系统调用有open、read、write、close、fork、exec、wt、exit等。使用这些系统调用可以进行普通用户难以实现的底层操作，这也是Linux广受开发者欢迎的原因之一。

2. 库函数

库函数是调用系统调用的语言层次的封装。在Linux中，库函数一般分为两类：标准库和第三方库。标准库就是操作系统提供的C语言标准库，例如stdio.h和stdlib.h等。标准库中包含了一系列与系统调用相关的封装函数，可以方便地进行操作。

第三方库包括了许多第三方开发者开发的库。这些库可以帮助用户完成一些普通操作的封装，有时甚至可以替代系统调用的封装。常见的第三方库有GTK、QT、OpenGL、Glib等。

库函数与系统调用之间的关系十分紧密。库函数本身就是基于系统调用实现的，内核态也是通过库函数实现对系统调用的调用。库函数具有较高的抽象性和封装程度，方便用户直接使用。

3. 中断

中断是一种从用户态进入内核态的方式。中断是来自外部设备的一种特殊信号，当外设需要处理时发出。中断处理程序会通过跳转到内核代码中响应中断，进行必要的操作。

中断分为硬件中断和软件中断两种类型。硬件中断由硬件设备发出，如键盘输入、鼠标移动、网络中断等。软件中断是由内核主动发起的，如定时器中断、软中断等。

中断机制也是Linux操作系统中非常常见的一种内核态进入方式。中断机制与其他机制相比，具有更高的敏捷性和灵活性，能够直接响应外部事物的变化，使得操作系统具备更强的可移植性和智能性。

4. 系统异常

系统异常是一种系统状态发生异常时的处理机制。当内核态发生不可预期的错误、中断或异常时，操作系统会自动切换到内核态，并执行相应的异常处理程序。

系统异常分为两种：同步异常和异步异常。同步异常是由当前CPU指令引起的，如分母为零、非法内存访问等。异步异常则是由硬件设备或其他进程引起的，如较高优先级的中断等。

系统异常处理程序也是Linux内核不可或缺的一部分。异常处理程序可以根据具体情况采取不同的处理方式，防止因为错误的引起操作系统崩溃、损坏用户数据等不良后果。

Linux内核态的进入方式非常多，如系统调用、库函数、中断、系统异常等。这些方式各具特色，可以满足不同场景下的不同需求。在实际应用中，尤其是在开发、服务器等领域，熟练掌握这些方式可以使程序的性能和可靠性得到进一步的提升。

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当一个线程从用户态进入到内核态时,需要进行哪些切换?

1、几乎所有的程序都要切换到内核态运行再返回用户态，用中断完成的，因为在内核下封装了一些东西，用户态下只是传入某些参数后调用内核态下的模扮函数罢了，

2、进程有三态（执行态，谨毕就绪态，阻塞态），cpu任何时刻都只有一个进祥码芹程在执行，so从用户态切换到内核态时，用户态下的进程就处于阻塞或就绪态了，至于从用户态切换到内核态执行哪个函数那就看你在用户态下执行的是什么函数了，比如在用户态下的lseek在内核下就是llseek了，不一样的。

3、这问题就是linux的内存管理了，这里就得提到三种地址（逻辑地址、线性地址、物理地址），这里我们提到的4G地址是逻辑地址，不是我们实际的物理地址，linux中一个进程用户占0-3G对应的内核占3G-4G部分

说得不是很清楚，这是比较复杂的内容，需要从头看起，单就这几个问题是不能搞懂linux的，更好还是系统的学习，不断的重复

希望对你有所帮助！

用户栈到内核栈

在unix/linux系统中，什么是用户态，什么是内核态

究竟什么是用户态，什么是内核态，这两个基本概念以前一直理解得不是很清楚，根本原因个人觉得是在于因为大部分时候我们在写程序时关注的重点和着眼的角度放在了实现的功能和代码的逻辑性上，先看一个例子：

　　1）例子

　　C代码

　　1. void testfork(){

　　2. if(0 = = fork()){

　　3. printf(“create new process success!\n”);

　　4. }

　　5. printf(“testfork ok\n”);

　　6. }

这段代码很简单，从功能的角度来看，就是实际执行了一个fork()，生成一个新的进程，从逻辑的角度看，就是判断了如果岩枝fork()返回的是则打印相关语句，然后函数最后再打印一句表示执行完整个testfork()函数。代码的执行逻辑和功能上看就是如此简单，一共四行代码，从上到下一句一句执行而已，完全看不出来哪里有体现出用户态和进程态的概念。

　　如果说前面两种是静态观察的角度看的话，我们还可以从动态的角度来看这段代码，即它被转换成CPU执行的指令后加载执行的过程，这时这段程序就是一个动态执行的指令序列。而究竟加载了哪些代码，如何加载就是和操作系统密切相关了。

　　2）特权级

　　熟悉Unix/Linux系统的人都知道，fork的工作实际上是以系统调用的方式完成相应功能的，具体的工作是由sys_fork负责实施。其实无论是不是Unix或者Linux，对于任何操作系统来说，创建一个新的进程都是属于核心功能，因为它要做很多底层细致地工作，消耗系统的物理资源，比如分配物理内存，从父进程拷贝相关信息，拷贝设置页目录页表等等，这些显然不能随便让哪个程序就能去做，于是就自然引出特权级别的概念，显然，最关键性的权力必须由高特权级的程序来执行，这样才可以做到集中管理，减少有限资源的访问和使用冲突。

　　特权级显然是非常有效的管理和控制程序执行的手段，因此在硬件上对特权级做了很多支持，就Intel x86架构的CPU来说一共有0~3四个特权级，0级更高，3级更低，硬件上在执闹纳行每条指令时都会对指令所具有的特权级做相应的检查，相关的概念有 CPL、DPL和RPL，这里不再过多阐述。硬件已经提供了一套特权级使用的相关机制，软件自然就是好好利用的问题，这属于操作系统要做的事情，对于 Unix/Linux来说，只使用了0级特权级和3级特权级。也就是说在Unix/Linux系统中，一条工作在级特权级的指令具有了CPU能提供的更高权力，而一条工作在3级特权级的指令具有CPU提供的更低或者说最基本权力。

　　3）用户态和内核态

　　现在我们从特权级的调度来理解用户态和内核态就比较好理解了，当程序运行在3级特权级上时，就可以称之为运行在用户态，因为这是更低特权级，是普通的用户进程运行的特权级，大部分用户直接面对的程序都是运行在用户态；反之，当程序运行在级特权级上时，就可以称之为运行在内核态。

　　虽然用户态下和内核态下工作的程序有很多差别，但最重要的差别就在于特权级的不同，即权力的不同。运行在用户态下的程序不能直接访问操作系统内核数据结构和程序，比如上面例子中的testfork()就不能直接调用 sys_fork()，因为前者是工作在用户态，属于用户态程序，而sys_fork()是工作在内核态，属于内核态程序。

　　当我们在系统中执行一个程序时，大部分时间是运行在用户态下的，在其需要操作系统帮助完成某些它没有权力和能力完成的工作时就会切换到内核态，比如testfork()最初运行在用户态进程下，当它调用fork()最终触发 sys_fork()的执行时，就切换到了内核态。

　　2. 用户态和内核态的转换

　　1）用户态切换到内核态的3种方式

　　a. 系统调用

这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作，比如前例中fork()实际上就是执行了一个创建新进程的系统调用。而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别粗弯敏开放的一个中断来实现，例如Linux的int 80h中断。

　　b. 异常

　　当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。

　　c. 外围设备的中断

　　当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。

这3种方式是系统在运行时由用户态转到内核态的最主要方式，其中系统调用可以认为是用户进程主动发起的，异常和外围设备中断则是被动的。

　　2）具体的切换操作

　　从触发方式上看，可以认为存在前述3种不同的类型，但是从最终实际完成由用户态到内核态的切换操作上来说，涉及的关键步骤是完全一致的，没有任何区别，都相当于执行了一个中断响应的过程，因为系统调用实际上最终是中断机制实现的，而异常和中断的处理机制基本上也是一致的，关于它们的具体区别这里不再赘述。关于中断处理机制的细节和步骤这里也不做过多分析，涉及到由用户态切换到内核态的步骤主要包括：

　　 从当前进程的描述符中提取其内核栈的ss0及esp0信息。

　　 使用ss0和esp0指向的内核栈将当前进程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起来，这个

　　过程也完成了由用户栈到内核栈的切换过程，同时保存了被暂停执行的程序的下一

　　条指令。

　　 将先前由中断向量检索得到的中断处理程序的cs,eip信息装入相应的寄存器，开始

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