Linux 內核空間與用戶空間實現(xiàn)與分析

更新時間：2018年02月24日 14:32:31 作者：sparkdev

這篇文章主要介紹了Linux 內核空間與用戶空間實現(xiàn)與分析，小編覺得挺不錯的，現(xiàn)在分享給大家，也給大家做個參考。一起跟隨小編過來看看吧

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

內核空間和用戶空間

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）。也就是說一個進程的最大地址空間為 4G。操作系統(tǒng)的核心是內核(kernel)，它獨立于普通的應用程序，可以訪問受保護的內存空間，也有訪問底層硬件設備的所有權限。為了保證內核的安全，現(xiàn)在的操作系統(tǒng)一般都強制用戶進程不能直接操作內核。具體的實現(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)由內核使用，稱為內核空間。而較低的 3G 字節(jié)(從虛擬地址 0x00000000 到 0xBFFFFFFF)由各個進程使用，稱為用戶空間。

對上面這段內容我們可以這樣理解：

每個進程的 4G 地址空間中，最高 1G 都是一樣的，即內核空間。只有剩余的 3G 才歸進程自己使用。

換句話說就是，最高 1G 的內核空間是被所有進程共享的！

下圖描述了每個進程 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的，如果錯用，將導致系統(tǒng)崩潰，比如清內存、設置時鐘等。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 將指令分為特權指令和非特權指令，對于那些危險的指令，只允許操作系統(tǒng)及其相關模塊使用，普通應用程序只能使用那些不會造成災難的指令。比如 Intel 的 CPU 將特權等級分為 4 個級別：Ring0~Ring3。

其實 Linux 系統(tǒng)只使用了 Ring0 和 Ring3 兩個運行級別(Windows 系統(tǒng)也是一樣的)。當進程運行在 Ring3 級別時被稱為運行在用戶態(tài)，而運行在 Ring0 級別時被稱為運行在內核態(tài)。

內核態(tài)與用戶態(tài)

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

當進程運行在內核空間時就處于內核態(tài)，而進程運行在用戶空間時則處于用戶態(tài)。

在內核態(tài)下，進程運行在內核地址空間中，此時 CPU 可以執(zhí)行任何指令。運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，也可以直接進行端口的訪問。

在用戶態(tài)下，進程運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)定的可訪問端口進行直接訪問。

對于以前的 DOS 操作系統(tǒng)來說，是沒有內核空間、用戶空間以及內核態(tài)、用戶態(tài)這些概念的。可以認為所有的代碼都是運行在內核態(tài)的，因而用戶編寫的應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)分內核空間和用戶空間的設計，隔離了操作系統(tǒng)代碼(操作系統(tǒng)的代碼要比應用程序的代碼健壯很多)與應用程序代碼。即便是單個應用程序出現(xiàn)錯誤也不會影響到操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這樣其它的程序還可以正常的運行(Linux 可是個多任務系統(tǒng)啊！)。

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

如何從用戶空間進入內核空間

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

比如應用程序要讀取磁盤上的一個文件，它可以向內核發(fā)起一個 "系統(tǒng)調用" 告訴內核："我要讀取磁盤上的某某文件"。其實就是通過一個特殊的指令讓進程從用戶態(tài)進入到內核態(tài)(到了內核空間)，在內核空間中，CPU 可以執(zhí)行任何的指令，當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)讀取到內核空間中，然后再把數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間并從內核態(tài)切換到用戶態(tài)。此時應用程序已經(jīng)從系統(tǒng)調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)內核，系統(tǒng)內核做這些事情既專業(yè)又高效。

對于一個進程來講，從用戶空間進入內核空間并最終返回到用戶空間，這個過程是十分復雜的。舉個例子，比如我們經(jīng)常接觸的概念 "堆棧"，其實進程在內核態(tài)和用戶態(tài)各有一個堆棧。運行在用戶空間時進程使用的是用戶空間中的堆棧，而運行在內核空間時，進程使用的是內核空間中的堆棧。所以說，Linux 中每個進程有兩個棧，分別用于用戶態(tài)和內核態(tài)。

下圖簡明的描述了用戶態(tài)與內核態(tài)之間的轉換：

既然用戶態(tài)的進程必須切換成內核態(tài)才能使用系統(tǒng)的資源，那么我們接下來就看看進程一共有多少種方式可以從用戶態(tài)進入到內核態(tài)。概括的說，有三種方式：系統(tǒng)調用、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，所以這里不做展開。

整體結構

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