Linux的内核空间和用户空间是怎么回事儿?驱动程序位于内核空间中,与用户空间的数据传递通过copy_to_user和copy_from_user进行；Ring 0和Ring 3是啥意思?

昊虹AI笔记

已于 2025-01-24 17:41:02 修改

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分类专栏：嵌入式_Linux Linux系统文章标签： linux

于 2025-01-05 21:23:43 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/144950319

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01-内核空间与用户空间是怎么回事儿

内核空间（Kernel Space）：
- 是操作系统的核心部分，负责管理硬件资源和提供系统服务。
- 驱动程序作为内核的一部分运行在内核空间。
- 在内核空间中，代码可以直接访问硬件设备和系统资源（如内存、I/O 端口等）。
用户空间（User Space）：
- 是普通应用程序运行的地方，与内核空间隔离。
- 应用程序通过系统调用（如 read, write, ioctl 等）与内核交互，但不能直接访问内核空间中的资源。
内核空间的特点
- 特权模式：内核代码运行在 CPU 的高特权级（通常是 Ring 0），可以直接访问硬件。
- 无内存保护：内核代码可以访问任意内存地址，因此需要开发者小心避免越界访问。
- 直接硬件访问：可以操作硬件设备的寄存器和内存，但需要遵循硬件协议。
- 实时性更高：由于内核空间代码直接运行在内核中，响应时间比用户空间应用更短。
- 注意：内核空间具有高特权，但也需要更加谨慎的编程，以避免影响系统稳定性。

02-内核空间和用户空间分别有自己的堆、栈、数据段、代码段

关于这个问题的详细说明见我的另一博文： https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/144826850

03-Linux系统中的Ring 0和Ring 3是啥意思？

可简单的理解为内核空间就是Ring 0，用户空间就是Ring 3，下面是详细解释：

在Linux系统中，Ring 0和Ring 3是与CPU的特权级别（Privilege Level）相关的概念，来源于x86架构的硬件设计。它们是CPU保护模式下的不同运行级别，用于区分操作系统和应用程序的权限，以确保系统的安全性和稳定性。

特权级别（Rings）的基本概念

x86架构定义了4个特权级别，从Ring 0到Ring 3：

Ring 0：最高权限级别（内核态，Kernel Mode）。
Ring 1 和 Ring 2：中间权限级别（很少使用）。
Ring 3：最低权限级别（用户态，User Mode）。

在实际使用中，现代操作系统（包括Linux）通常只使用Ring 0和Ring 3。

Ring 0（内核态，Kernel Mode）

作用：
- 用于运行操作系统的内核代码和驱动程序。
- 拥有对硬件资源的完全访问权限（包括CPU指令集、内存、I/O设备等）。
- 可以执行特权指令（例如访问硬件寄存器、控制中断等）。
特性：
- 没有任何限制，可以直接操作硬件和管理资源。
- 一旦出现错误（例如非法访问内存），可能导致整个系统崩溃。
典型例子：
- Linux内核代码。
- 驱动程序代码。

Ring 3（用户态，User Mode）

作用：
- 用于运行用户程序（应用程序），例如Web浏览器、文本编辑器等。
- 通过系统调用（System Call）与内核交互，获取服务（如文件读写、网络通信）。
特性：
- 权限受限，无法直接访问硬件或执行特权指令。
- 任何试图越权操作都会被CPU拦截，并可能触发异常。
- 提高系统的稳定性和安全性：用户程序崩溃不会影响系统内核。
典型例子：
- 用户空间程序，例如ls、cat等命令。
- 应用程序和库（如glibc）。

两者的区别和联系

特性	Ring 0 （内核态）	Ring 3 （用户态）
权限	最高权限，无限制	最低权限，受严格限制
运行位置	操作系统内核及驱动程序	用户空间程序及库
硬件访问	可直接访问硬件资源	需通过内核提供的接口
指令执行	可执行所有指令	只能执行非特权指令
稳定性和安全性	易受错误影响（整个系统）	崩溃只影响当前程序

Linux系统的设计

Linux将内核运行在Ring 0，用户进程运行在Ring 3。
用户进程通过系统调用进入内核模式（Ring 0），请求内核服务。
通过这种机制，Linux系统在性能与安全性之间达到了良好的平衡：
- 核心功能运行在高权限模式，效率高。
- 应用程序运行在低权限模式，减少错误和恶意代码的风险。

04-驱动程序运行于内核空间

当驱动程序通过 insmod 或 modprobe 加载到内核中后，便成为内核的一部分，并运行在内核空间。当用户程序通过系统调用（如 open, read, write）访问驱动程序时，内核会切换到内核空间执行驱动程序中的相应函数（如 file_operations 中的 read, write）。

05-请给出一段典型的运行于用户空间的程序

下面这段代码就是典型的运行于用户空间的程序


#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

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