一、 Unix/Linux的體系架構(gòu)

　　如上圖所示,，從宏觀上來看,，Linux操作系統(tǒng)的體系架構(gòu)分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)（或者用戶空間和內(nèi)核）。內(nèi)核從本質(zhì)上看是一種軟件——控制計(jì)算機(jī)的硬件資源,，并提供上層應(yīng)用程序運(yùn)行的環(huán)境,。用戶態(tài)即上層應(yīng)用程序的活動空間，應(yīng)用程序的執(zhí)行必須依托于內(nèi)核提供的資源,，包括CPU資源,、存儲資源、I/O資源等,。為了使上層應(yīng)用能夠訪問到這些資源,，內(nèi)核必須為上層應(yīng)用提供訪問的接口：即系統(tǒng)調(diào)用。

　　系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)的最小功能單位,，這些系統(tǒng)調(diào)用根據(jù)不同的應(yīng)用場景可以進(jìn)行擴(kuò)展和裁剪,，現(xiàn)在各種版本的Unix實(shí)現(xiàn)都提供了不同數(shù)量的系統(tǒng)調(diào)用，如Linux的不同版本提供了240-260個系統(tǒng)調(diào)用,，F(xiàn)reeBSD大約提供了320個（reference：UNIX環(huán)境高級編程）,。我們可以把系統(tǒng)調(diào)用看成是一種不能再化簡的操作（類似于原子操作，但是不同概念）,，有人把它比作一個漢字的一個“筆畫”,，而一個“漢字”就代表一個上層應(yīng)用，我覺得這個比喻非常貼切,。因此,，有時候如果要實(shí)現(xiàn)一個完整的漢字（給某個變量分配內(nèi)存空間），就必須調(diào)用很多的系統(tǒng)調(diào)用,。如果從實(shí)現(xiàn)者（程序員）的角度來看,，這勢必會加重程序員的負(fù)擔(dān)，良好的程序設(shè)計(jì)方法是：重視上層的業(yè)務(wù)邏輯操作,，而盡可能避免底層復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),。庫函數(shù)正是為了將程序員從復(fù)雜的細(xì)節(jié)中解脫出來而提出的一種有效方法,。它實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)調(diào)用的封裝,，將簡單的業(yè)務(wù)邏輯接口呈現(xiàn)給用戶,，方便用戶調(diào)用，從這個角度上看,，庫函數(shù)就像是組成漢字的“偏旁”,。這樣的一種組成方式極大增強(qiáng)了程序設(shè)計(jì)的靈活性，對于簡單的操作,，我們可以直接調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用來訪問資源,，如“人”，對于復(fù)雜操作,，我們借助于庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn),，如“仁”。顯然,，這樣的庫函數(shù)依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)也可以有不同的實(shí)現(xiàn)版本,，如ISO C 標(biāo)準(zhǔn)庫，POSIX標(biāo)準(zhǔn)庫等,。

　　Shell是一個特殊的應(yīng)用程序,，俗稱命令行，本質(zhì)上是一個命令解釋器,，它下通系統(tǒng)調(diào)用,，上通各種應(yīng)用，通常充當(dāng)著一種“膠水”的角色,，來連接各個小功能程序,，讓不同程序能夠以一個清晰的接口協(xié)同工作，從而增強(qiáng)各個程序的功能,。同時,，Shell是可編程的，它可以執(zhí)行符合Shell語法的文本,，這樣的文本稱為Shell腳本,，通常短短的幾行Shell腳本就可以實(shí)現(xiàn)一個非常大的功能，原因就是這些Shell語句通常都對系統(tǒng)調(diào)用做了一層封裝,。為了方便用戶和系統(tǒng)交互,，一般，一個Shell對應(yīng)一個終端,，終端是一個硬件設(shè)備,，呈現(xiàn)給用戶的是一個圖形化窗口。我們可以通過這個窗口輸入或者輸出文本,。這個文本直接傳遞給shell進(jìn)行分析解釋,，然后執(zhí)行。

　　總結(jié)一下，用戶態(tài)的應(yīng)用程序可以通過三種方式來訪問內(nèi)核態(tài)的資源：

1）系統(tǒng)調(diào)用

2）庫函數(shù)

3）Shell腳本

　　下圖是對上圖的一個細(xì)分結(jié)構(gòu),，從這個圖上可以更進(jìn)一步對內(nèi)核所做的事有一個“全景式”的印象,。主要表現(xiàn)為：向下控制硬件資源，向內(nèi)管理操作系統(tǒng)資源：包括進(jìn)程的調(diào)度和管理,、內(nèi)存的管理,、文件系統(tǒng)的管理、設(shè)備驅(qū)動程序的管理以及網(wǎng)絡(luò)資源的管理,，向上則向應(yīng)用程序提供系統(tǒng)調(diào)用的接口,。從整體上來看，整個操作系統(tǒng)分為兩層：用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài),，這種分層的架構(gòu)極大地提高了資源管理的可擴(kuò)展性和靈活性,，而且方便用戶對資源的調(diào)用和集中式的管理，帶來一定的安全性,。

二,、用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換

　　因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的資源是有限的，如果訪問資源的操作過多,，必然會消耗過多的資源,，而且如果不對這些操作加以區(qū)分，很可能造成資源訪問的沖突,。所以,，為了減少有限資源的訪問和使用沖突，Unix/Linux的設(shè)計(jì)哲學(xué)之一就是：對不同的操作賦予不同的執(zhí)行等級,，就是所謂特權(quán)的概念,。簡單說就是有多大能力做多大的事，與系統(tǒng)相關(guān)的一些特別關(guān)鍵的操作必須由最高特權(quán)的程序來完成,。Intel的X86架構(gòu)的CPU提供了0到3四個特權(quán)級,，數(shù)字越小，特權(quán)越高,，Linux操作系統(tǒng)中主要采用了0和3兩個特權(quán)級,，分別對應(yīng)的就是內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。運(yùn)行于用戶態(tài)的進(jìn)程可以執(zhí)行的操作和訪問的資源都會受到極大的限制,，而運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的進(jìn)程則可以執(zhí)行任何操作并且在資源的使用上沒有限制,。很多程序開始時運(yùn)行于用戶態(tài)，但在執(zhí)行的過程中,，一些操作需要在內(nèi)核權(quán)限下才能執(zhí)行,，這就涉及到一個從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的過程。比如C函數(shù)庫中的內(nèi)存分配函數(shù)malloc(),，它具體是使用sbrk()系統(tǒng)調(diào)用來分配內(nèi)存,，當(dāng)malloc調(diào)用sbrk()的時候就涉及一次從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換,，類似的函數(shù)還有printf()，調(diào)用的是wirte()系統(tǒng)調(diào)用來輸出字符串,，等等,。

　　到底在什么情況下會發(fā)生從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，一般存在以下三種情況：

1）當(dāng)然就是系統(tǒng)調(diào)用：原因如上的分析,。

2）異常事件： 當(dāng)CPU正在執(zhí)行運(yùn)行在用戶態(tài)的程序時，突然發(fā)生某些預(yù)先不可知的異常事件,，這個時候就會觸發(fā)從當(dāng)前用戶態(tài)執(zhí)行的進(jìn)程轉(zhuǎn)向內(nèi)核態(tài)執(zhí)行相關(guān)的異常事件,，典型的如缺頁異常。

3）外圍設(shè)備的中斷：當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶的請求操作后,，會像CPU發(fā)出中斷信號,，此時，CPU就會暫停執(zhí)行下一條即將要執(zhí)行的指令,，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷信號對應(yīng)的處理程序,，如果先前執(zhí)行的指令是在用戶態(tài)下，則自然就發(fā)生從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換,。

　　注意：系統(tǒng)調(diào)用的本質(zhì)其實(shí)也是中斷,，相對于外圍設(shè)備的硬中斷，這種中斷稱為軟中斷,，這是操作系統(tǒng)為用戶特別開放的一種中斷,，如Linux int 80h中斷。所以,，從觸發(fā)方式和效果上來看,，這三種切換方式是完全一樣的，都相當(dāng)于是執(zhí)行了一個中斷響應(yīng)的過程,。但是從觸發(fā)的對象來看,，系統(tǒng)調(diào)用是進(jìn)程主動請求切換的，而異常和硬中斷則是被動的,。

三,、總結(jié)

　　本文僅是從宏觀的角度去理解Linux用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的設(shè)計(jì)，并沒有去深究它們的具體實(shí)現(xiàn)方式,。從實(shí)現(xiàn)上來看,，必須要考慮到的一點(diǎn)我想就是性能問題，因?yàn)橛脩魬B(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的切換也會消耗大量資源,。關(guān)于實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié),，目前學(xué)藝不精不敢亂說，等日后補(bǔ)上,。但知道了這一點(diǎn),，我相信對很多問題也就很容易理解了,，比如說基于緩沖區(qū)的IO和無緩沖的IO，用戶進(jìn)程和內(nèi)核進(jìn)程之間的切換,，IO復(fù)用中的讀寫內(nèi)核事件表,，等等，這些知識之后會一一補(bǔ)上,。