用户态内核态切换

内核态和用户态是操作系统中两种不同的运行级别，它们的主要区别如下

用户态

• 定义：用户态是操作系统提供给用户程序的运行环境。在用户态下，程序所能访问的资源和执行的操作受到严格限制，以防止用户程序对系统造成破坏。
• 特点
  • 资源受限：用户态程序只能访问分配给自己的内存空间，不能直接访问系统内核的内存空间和硬件设备等资源。
  • 指令受限：只能执行非特权指令，如普通的算术运算、逻辑运算、数据传输等指令。如果用户态程序试图执行特权指令，将会引发处理器的异常，操作系统会捕获并进行相应处理。

内核态

• 定义：内核态是操作系统内核运行的状态，具有最高的权限，可以访问系统的所有资源，包括硬件设备、内存空间等，并能执行所有指令，包括特权指令。
• 特点
  • 资源不受限：内核态下的程序可以访问系统中的任何资源，包括其他进程的内存空间，能够直接与硬件设备进行交互，如读写磁盘、控制网络接口等。
  • 执行特权指令：可以执行如设置处理器状态、开启或关闭中断、访问设备控制寄存器等特权指令，这些指令对于系统的底层控制和资源管理至关重要。

切换时机

• 系统调用：当用户态程序需要请求操作系统提供服务时，会通过系统调用陷入内核态。例如，用户程序需要读取文件数据，就会调用 read 系统调用，此时处理器会从用户态切换到内核态，由内核执行文件读取的相关操作，完成后再返回用户态。
• 中断：硬件设备产生中断信号时，如定时器中断、键盘输入中断等，会使处理器暂停当前用户态程序的执行，切换到内核态来处理中断。内核会根据中断类型执行相应的中断处理程序，处理完成后再返回被中断的用户态程序继续执行。
• 异常：当用户态程序发生错误或异常情况时，如除数为零、访问非法内存地址等，会触发异常机制，导致处理器切换到内核态。内核会对异常进行处理，可能会终止出错的程序，或者采取其他恢复措施，然后根据情况决定是否返回用户态。