从CPU状态到多线程、协程，再来理解操作系统底层

在操作系统的架构中，内核（Kernel）处于核心枢纽位置，它宛如一位掌控全局的管理者，精心掌管着内存、硬件设备、文件系统以及应用程序，就像桥梁一样连接着应用程序和硬件，决定着系统稳不稳定、快不快，CPU有用户态和内核态两种状态。

一、用户态与内核态：权限世界的两极

1、用户态（User Mode）：有限权限的 “居民区”

在用户态运行的程序，就像是普通居民，能访问自己家里的东西（用户程序数据），但权限有限。当应用程序执行一些诸如读写磁盘、网络通信等需特殊权限的操作时，就好比居民要动用超出其居住区域权限的资源，此时必须向操作系统发出系统调用请求，进入内核态。

2、内核态（Kernel Mode）：特权掌控的 “指挥中心”

内核态就像管理员，几乎能访问计算机所有资源，比如内存空间、硬件设备、驱动程序等，权限超高。当操作系统收到用户态程序的系统调用请求，就会从用户态切换到内核态，帮程序完成操作，再把结果返回，最后又切回用户态。

3、为何单一内核态不可行：混乱与无序的潜在风险

CPU的指令里，有些像内存分配、设置时钟、IO处理这些，特别危险。要是所有程序都能用这些指令，那系统就乱套了，就像谁都能当管理员乱动东西，肯定出问题。所以，这些危险指令只能在内核态运行，叫特权指令。要是系统只有内核态，所有程序都共享资源，就会抢来抢去，影响性能，而且安全性也就没了。

二、系统调用：用户态与内核态的沟通纽带

平常我们运行的程序大多在用户态，要是程序想对系统级别的资源，一旦涉及与系统态级别资源相关的操作，诸如文件管理、进程控制、内存管理等，就得通过系统调用，向操作系统发出服务请求，进而由操作系统代为完成这些操作，系统调用是操作系统内核提供的，运行在内核态。

三、进程、线程、协程：并发编程的三剑客

1、进程：资源分配的独立王国

进程是操作系统分配资源的最小单位，每个进程都有自己独立的内存空间、数据和资源，每一个进程都犹如一座独立的城堡，不同进程之间彼此隔绝，各自独立运行，互不干扰。

2、线程：进程中的轻量级 “执行者”

线程则是操作系统中调度的最小单位，可将其看作是进程这座城堡中的不同 “生产线”。一个进程能够容纳多个线程，相较于进程，线程更为轻量级，创建与切换所耗费的资源和时间都相对较少。同一进程内的线程如同同一条生产线上的工人，共享内存和文件句柄等资源，这使得线程之间的数据共享与通信变得更为便捷。多个线程共同享有进程的堆和方法区（JDK1.8 之后为元空间）资源，每个线程都配备有自己独立的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈。线程在需要共享资源且高并发执行的场景中表现卓越，例如在繁忙的 Web 服务器处理海量并发请求，或是进行复杂的并发计算任务。

由操作系统内核调度，属于‌内核态调度‌。线程切换涉及上下文保存和恢复（如寄存器、程序计数器等），相对协程开销较大

3、协程：轻量级

协程比线程还轻量级，它自己就能调度，不怎么依赖操作系统内核。创建和切换协程几乎不花什么代价，因为不用经过系统调用，在用户态就能完成。协程适合做轻量级、异步的任务，像网络请求、IO 操作。

GO的高并发得益于协程，并由此广被高并发场景应用，由Go语言的运行时（runtime）调度，属于‌用户态调度‌，不依赖操作系统内核。协程的切换由Go的调度器（GPM模型）控制，避免了内核态和用户态的切换开销

四、多线程：释放系统潜能的密钥

1、单核时代：提升单进程资源利用率的利器

在单核时代，多线程能提高单进程利用 CPU 和 IO 系统的效率。比如说只有一个 Java 进程，如果只有一个线程，这个线程要是被 IO 操作堵住了，整个进程就动不了，CPU 和 IO 设备只有一个能工作，效率低。但有多线程的话，一个线程被堵，其他线程还能用 CPU，这样进程就能更好地利用系统资源。

2、多核时代：发挥多核优势

进入多核时代，多线程能让进程更好地利用多核 CPU。比如要算一个复杂任务，只用一个线程，不管有几个 CPU 核心，只有一个核心在干活。要是创建多个线程，这些线程能分到不同 CPU 核心上运行，在不抢资源的情况下，任务就能快很多，差不多是单核运行时间除以 CPU 核心数（单核时执行时间 / CPU 核心数）。

操作系统的这些底层概念是构建高效、稳定软件系统的基石，深入理解它们对于每一位开发者而言都至关重要。