4、深入探究内核：模式、定时器与并发机制

深入探究内核：模式、定时器与并发机制

1. 内核模式与用户模式

在操作系统中，存在不同的CPU执行模式。像MS - DOS这类操作系统，始终在单一CPU模式下运行，而类UNIX操作系统则采用双模式来有效实现时间共享。在Linux系统里，CPU要么处于受信任的内核模式，要么处于受限的用户模式。所有用户进程都在用户模式下执行，而内核自身则在内核模式下运行。

内核模式代码能够无限制地访问整个处理器指令集、全部内存和I/O空间。若用户模式进程需要这些特权，就必须通过系统调用，借助设备驱动程序或其他内核模式代码来传递请求。不过，用户模式代码允许发生页面错误，而内核模式代码则不允许。

在2.4及更早的内核中，只有用户模式进程可以进行上下文切换，被其他进程替换。内核模式代码可以独占处理器，直到以下两种情况发生：
- 主动放弃CPU。
- 发生中断或异常。

随着2.6版本引入内核抢占机制，大多数内核模式代码也能够进行上下文切换了。

2. 进程上下文与中断上下文

内核通过进程上下文和中断上下文的组合来完成有用的工作。为用户应用程序发出的系统调用提供服务的内核代码，代表相应的应用程序进程运行，这种情况被称为在进程上下文执行。而中断处理程序则在中断上下文中异步运行。进程上下文与中断上下文相互独立。

在进程上下文中运行的内核代码是可抢占的。然而，中断上下文总是会运行到完成，不可抢占。因此，在中断上下文中执行代码存在一些限制，具体如下：
- 不能进入睡眠状态或放弃处理器。
- 不能获取互斥锁。
- 不能执行耗时的任务。
- 不能访问用户空间的虚拟内存。