在CPU的所有指令中,，有一些指令是非常危險的，如果錯用,，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰,。比如：清內(nèi)存、設(shè)置時鐘等,。如果所有的程序都能使用這些指令,，那么你的系統(tǒng)一天死機n回就不足為奇了。所以,，CPU將指令分為特權(quán)指令和非特權(quán)指令,，對于那些危險的指令，只允許操作系統(tǒng)及其相關(guān)模塊使用,，普通的應(yīng)用程序只能使用那些不會造成災(zāi)難的指令,。Intel的CPU將特權(quán)級別分為4個級別：RING0,RING1,RING2,RING3。

linux的內(nèi)核是一個有機的整體,。每一個用戶進程運行時都好像有一份內(nèi)核的拷貝,，每當(dāng)用戶進程使用系統(tǒng)調(diào)用時,，都自動地將運行模式從用戶級轉(zhuǎn)為內(nèi)核級，此時進程在內(nèi)核的地址空間中運行,。

當(dāng)一個任務(wù)（進程）執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時,，我們就稱進程處于內(nèi)核運行態(tài)（或簡稱為內(nèi)核態(tài)）。此時處理器處于特權(quán)級最高的（0級）內(nèi)核代碼中執(zhí)行,。當(dāng)進程處于內(nèi)核態(tài)時,，執(zhí)行的內(nèi)核代碼會使用當(dāng)前進程的內(nèi)核棧。每個進程都有自己的內(nèi)核棧,。當(dāng)進程在執(zhí)行用戶自己的代碼時,，則稱其處于用戶運行態(tài)（用戶態(tài)）。即此時處理器在特權(quán)級最低的（3級）用戶代碼中運行,。當(dāng)正在執(zhí)行用戶程序而突然被中斷程序中斷時,，此時用戶程序也可以象征性地稱為處于進程的內(nèi)核態(tài)。因為中斷處理程序?qū)⑹褂卯?dāng)前進程的內(nèi)核棧,。這與處于內(nèi)核態(tài)的進程的狀態(tài)有些類似,。

內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)是操作系統(tǒng)的兩種運行級別,跟intel cpu沒有必然的聯(lián)系, 如上所提到的intel cpu提供Ring0-Ring3四種級別的運行模式，Ring0級別最高,，Ring3最低,。Linux使用了Ring3級別運行用戶態(tài)，Ring0作為 內(nèi)核態(tài),，沒有使用Ring1和Ring2,。Ring3狀態(tài)不能訪問Ring0的地址空間，包括代碼和數(shù)據(jù),。Linux進程的4GB地址空間，3G-4G部 分大家是共享的,，是內(nèi)核態(tài)的地址空間,，這里存放在整個內(nèi)核的代碼和所有的內(nèi)核模塊，以及內(nèi)核所維護的數(shù)據(jù),。用戶運行一個程序,，該程序所創(chuàng)建的進程開始是運 行在用戶態(tài)的，如果要執(zhí)行文件操作,，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送等操作,，必須通過write，send等系統(tǒng)調(diào)用,，這些系統(tǒng)調(diào)用會調(diào)用內(nèi)核中的代碼來完成操作,，這時，必 須切換到Ring0,，然后進入3GB-4GB中的內(nèi)核地址空間去執(zhí)行這些代碼完成操作,，完成后，切換回Ring3，回到用戶態(tài),。這樣,，用戶態(tài)的程序就不能 隨意操作內(nèi)核地址空間，具有一定的安全保護作用,。

用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的3種方式

• 系統(tǒng)調(diào)用

  這是用戶態(tài)進程主動要求切換到內(nèi)核態(tài)的一種方式,，用戶態(tài)進程通過系統(tǒng)調(diào)用申請使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作，比如fork()實際上就是執(zhí)行了一個創(chuàng)建新進程的系統(tǒng)調(diào)用,。而系統(tǒng)調(diào)用的機制其核心還是使用了操作系統(tǒng)為用戶特別開放的一個中斷來實現(xiàn),，例如Linux的int 80h中斷。

• 中斷

  當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶請求的操作后,，會向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信號,，這時CPU會暫停執(zhí)行下一條即將要執(zhí)行的指令轉(zhuǎn)而去執(zhí)行與中斷信號對應(yīng)的處理程序，如果先前執(zhí)行的指令是用戶態(tài)下的程序,，那么這個轉(zhuǎn)換的過程自然也就發(fā)生了由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換,。比如硬盤讀寫操作完成，系統(tǒng)會切換到硬盤讀寫的中斷處理程序中執(zhí)行后續(xù)操作等,。

• 異常

  當(dāng)CPU在執(zhí)行運行在用戶態(tài)下的程序時,，發(fā)生了某些事先不可知的異常，這時會觸發(fā)由當(dāng)前運行進程切換到處理此異常的內(nèi)核相關(guān)程序中,，也就轉(zhuǎn)到了內(nèi)核態(tài),，比如缺頁異常。

為什么要有用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài),？

由于需要限制不同的程序之間的訪問能力, 防止他們獲取別的程序的內(nèi)存數(shù)據(jù), 或者獲取外圍設(shè)備的數(shù)據(jù), 并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò), CPU劃分出兩個權(quán)限等級 – 用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài),。

參考資料

https://blog.csdn.net/youngyoungla/article/details/53106671

https://blog.csdn.net/liuyueyue0921/article/details/48225533