一、Linux系統結構
Linux特權級別：Linux的架構中，很重要的一個能力就是操縱系統資源的能力，系統資源是有限的，如果不加限制的允許任何程式以任何方式去操縱系統資源，必然會造成資源的浪費，發生資源不足等情況，為了減少這種情況的發生，Linux制定了一個等級制定，即特權，Linux將特權分成兩個層次，以0和3標識，0特權級操縱系統資源上是沒有任何限制的，可以執行任何操作，而3，則會受到極大的限制，Linux中，還存在R1和R2兩個級別，一般歸屬驅動程式的級別，在Windows平臺沒有R1和R2兩個級別，只用R0內核態和R3用戶態 ; 0級特權可以訪問0-3,1特權級可以訪問1-3...； 我們把特權級0稱之為內核態，特權級3稱之為用戶態，
內核態：內核，實質是一個軟體，內核具備直接操縱系統資源的能力(CPU資源，I/O資源)等的能力，
用戶態：上層應用程式的活動空間，應用程式的執行必須依托于內核提供的資源,不具備直接作業系統資源的能力
系統呼叫：為了使上層應用能夠訪問使用系統資源，內核為上層應用提供訪問的介面，系統呼叫可以理解為作業系統的最小功能單位，所有有應用程式，都是通過系統呼叫完成系統資源的操作，
Shell：它是一個特殊的應用程式，俗稱命令列，類似于windows的cmd，是一個命令解釋器，有些應用程式是基于Shell做的，而不是基于系統呼叫
公用函式庫：一個Linux系統，根據版本不同，大約包含240~260個系統呼叫，為了使得操作更為簡單，更加便于應用程式使用，Linux系統對系統呼叫的部分功能進行了再次封裝，形成了公用函式庫，以供應用程式呼叫，公用函式庫中的一個方法，實質上是若干個系統呼叫以特定的邏輯組合而成，
用戶態的應用程式可以通過三種方式來訪問內核態的資源：
- 1）系統呼叫
- 2）庫函式
- 3）Shell腳本
二、用戶態與內核態的切換
應用程式一般會在以下幾種情況下切換到內核態：
1． 系統呼叫：C函式庫中的記憶體分配函式malloc()，它具體是使用sbrk()系統呼叫來分配記憶體，當malloc呼叫sbrk()的時候就涉及一次從用戶態到內核態的切換，類似的函式還有printf()，呼叫的是wirte()系統呼叫來輸出字串，
2． 例外事件，當發生某些預先不可知的例外時，就會切換到內核態，以執行相關的例外事件，
3． 設備中斷，在使用外圍設備時，如外圍設備完成了用戶請求，就會向CPU發送一個中斷信號，此時，CPU就會暫停執行原本的下一條指令，轉去處理中斷事件，此時，如果原來在用戶態，則自然就會切換到內核態，
系統呼叫的本質其實也是中斷，相對于外圍設備的硬中斷，這種中斷稱為軟中斷，從觸發方式和效果上來看，這三種切換方式是完全一樣的，都相當于是執行了一個中斷回應的程序，但是從觸發的物件來看，系統呼叫是行程主動請求切換的，而例外和硬中斷則是被動的，
用戶態如何切換到內核態
1、若中斷時，行程在執行用戶態的代碼，該中斷會引起CPU特權級從3級到0級的切換，此時CPU會進行堆疊的切換，CPU會從當前任務的TSS中取到新堆疊的段選擇符和偏移值；CPU首先會把原用戶態的堆疊指標ss和esp壓入內核態堆疊，隨后把標志暫存器eflags的內容和此次中斷的回傳位置cs，eip壓入內核態堆疊，當中斷處理函式結束后，將恢復內核堆疊中的資料，并繼續處理被中斷的行程，
2、若中斷時，行程正在執行內核態的代碼，則不需要堆疊的切換，CPU僅把eflags的內容和此次中斷的回傳位置cs，eip壓入內核態堆疊，然后執行中斷服務程式，
用戶態切換到內核態的開銷
1、當用戶態切換到內核態時系統呼叫一般都需要保存用戶程式背景關系(context), 在進入內核的時候需要保存用戶態的暫存器
2、內核態回傳用戶態的時候會恢復這些暫存器的內容
3、 如果需要在不同用戶程式間切換的話，那么還要更新cr3暫存器，這樣會更換每個程式的虛擬記憶體到物理記憶體映射表的地址，也是一個比較高負擔的操作
4、每個行程都會有兩個堆疊，一個內核態堆疊和一個用戶態堆疊，當int中斷執行時就會由用戶態堆疊轉向內核態堆疊，系統呼叫時需要進行堆疊的切換，而且內核代碼對用戶不信任，需要進行額外的檢查，系統呼叫的回傳程序有很多額外作業，比如檢查是否需要調度等，
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標籤：Linux
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