Linux系統(tǒng)為什么需要區(qū)分內(nèi)核空間與用戶(hù)空間？

作者：sparkdev

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

內(nèi)核空間和用戶(hù)空間對(duì) 32 位操作系統(tǒng)而言，它的尋址空間（虛擬地址空間，或叫線(xiàn)性地址空間）為 4G（2的32次方）。也就是說(shuō)一個(gè)進(jìn)程的最大地址空間為 4G。

操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核（kernel），它獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序，可以訪(fǎng)問(wèn)受保護(hù)的內(nèi)存空間，也有訪(fǎng)問(wèn)底層硬件設(shè)備的所有權(quán)限。為了保證內(nèi)核的安全，現(xiàn)在的操作系統(tǒng)一般都強(qiáng)制用戶(hù)進(jìn)程不能直接操作內(nèi)核。

具體的實(shí)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(nèi)核空間，另一部分為用戶(hù)空間。針對(duì) 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(nèi)核使用，稱(chēng)為內(nèi)核空間。而較低的 3G 字節(jié)（從虛擬地址 0x00000000 到 0xBFFFFFFF）由各個(gè)進(jìn)程使用，稱(chēng)為用戶(hù)空間。

對(duì)上面這段內(nèi)容我們可以這樣理解：「每個(gè)進(jìn)程的 4G 地址空間中，最高 1G 都是一樣的，即內(nèi)核空間。只有剩余的 3G 才歸進(jìn)程自己使用?！?/p>

「換句話(huà)說(shuō)就是， 最高 1G 的內(nèi)核空間是被所有進(jìn)程共享的！」下圖描述了每個(gè)進(jìn)程 4G 地址空間的分配情況（此圖來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)）：

為什么需要區(qū)分內(nèi)核空間與用戶(hù)空間在 CPU 的所有指令中，有些指令是非常危險(xiǎn)的，如果錯(cuò)用，將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，比如清內(nèi)存、設(shè)置時(shí)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(quán)指令和非特權(quán)指令，對(duì)于那些危險(xiǎn)的指令，只允許操作系統(tǒng)及其相關(guān)模塊使用，普通應(yīng)用程序只能使用那些不會(huì)造成災(zāi)難的指令。

比如 Intel 的 CPU 將特權(quán)等級(jí)分為 4 個(gè)級(jí)別：Ring0~Ring3。其實(shí) Linux 系統(tǒng)只使用了 Ring0 和 Ring3 兩個(gè)運(yùn)行級(jí)別（Windows 系統(tǒng)也是一樣的）。

當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行在 Ring3 級(jí)別時(shí)被稱(chēng)為運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)，而運(yùn)行在 Ring0 級(jí)別時(shí)被稱(chēng)為運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。

內(nèi)核態(tài)與用戶(hù)態(tài)好了我們現(xiàn)在需要再解釋一下什么是內(nèi)核態(tài)、用戶(hù)態(tài)：「當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行在內(nèi)核空間時(shí)就處于內(nèi)核態(tài)，而進(jìn)程運(yùn)行在用戶(hù)空間時(shí)則處于用戶(hù)態(tài)?！?/p>

在內(nèi)核態(tài)下，進(jìn)程運(yùn)行在內(nèi)核地址空間中，此時(shí) CPU 可以執(zhí)行任何指令。運(yùn)行的代碼也不受任何的限制，可以自由地訪(fǎng)問(wèn)任何有效地址，也可以直接進(jìn)行端口的訪(fǎng)問(wèn)。

在用戶(hù)態(tài)下，進(jìn)程運(yùn)行在用戶(hù)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(fǎng)問(wèn)映射其地址空間的頁(yè)表項(xiàng)中規(guī)定的在用戶(hù)態(tài)下可訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)面的虛擬地址，且只能對(duì)任務(wù)狀態(tài)段（TSS）中 I/O 許可位圖（I/O Permission Bitmap）中規(guī)定的可訪(fǎng)問(wèn)端口進(jìn)行直接訪(fǎng)問(wèn)。

對(duì)于以前的 DOS 操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是沒(méi)有內(nèi)核空間、用戶(hù)空間以及內(nèi)核態(tài)、用戶(hù)態(tài)這些概念的?？梢哉J(rèn)為所有的代碼都是運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的，因而用戶(hù)編寫(xiě)的應(yīng)用程序代碼可以很容易的讓操作系統(tǒng)崩潰掉。

對(duì)于 Linux 來(lái)說(shuō)，通過(guò)區(qū)分內(nèi)核空間和用戶(hù)空間的設(shè)計(jì)，隔離了操作系統(tǒng)代碼（操作系統(tǒng)的代碼要比應(yīng)用程序的代碼健壯很多）與應(yīng)用程序代碼。

即便是單個(gè)應(yīng)用程序出現(xiàn)錯(cuò)誤也不會(huì)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(yùn)行（Linux 可是個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)?。。?。

「所以，區(qū)分內(nèi)核空間和用戶(hù)空間本質(zhì)上是要提高操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可用性?！?/p>

如何從用戶(hù)空間進(jìn)入內(nèi)核空間其實(shí)所有的系統(tǒng)資源管理都是在內(nèi)核空間中完成的。比如讀寫(xiě)磁盤(pán)文件，分配回收內(nèi)存，從網(wǎng)絡(luò)接口讀寫(xiě)數(shù)據(jù)等等。

我們的應(yīng)用程序是無(wú)法直接進(jìn)行這樣的操作的。但是我們可以通過(guò)內(nèi)核提供的接口來(lái)完成這樣的任務(wù)。

比如應(yīng)用程序要讀取磁盤(pán)上的一個(gè)文件，它可以向內(nèi)核發(fā)起一個(gè) “系統(tǒng)調(diào)用” 告訴內(nèi)核：“我要讀取磁盤(pán)上的某某文件”。

其實(shí)就是通過(guò)一個(gè)特殊的指令讓進(jìn)程從用戶(hù)態(tài)進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)（到了內(nèi)核空間），在內(nèi)核空間中，CPU 可以執(zhí)行任何的指令，當(dāng)然也包括從磁盤(pán)上讀取數(shù)據(jù)。具體過(guò)程是先把數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)核空間中，然后再把數(shù)據(jù)拷貝到用戶(hù)空間并從內(nèi)核態(tài)切換到用戶(hù)態(tài)。

此時(shí)應(yīng)用程序已經(jīng)從系統(tǒng)調(diào)用中返回并且拿到了想要的數(shù)據(jù)，可以開(kāi)開(kāi)心心的往下執(zhí)行了。簡(jiǎn)單說(shuō)就是應(yīng)用程序把高科技的事情（從磁盤(pán)讀取文件）外包給了系統(tǒng)內(nèi)核，系統(tǒng)內(nèi)核做這些事情既專(zhuān)業(yè)又高效。

對(duì)于一個(gè)進(jìn)程來(lái)講，從用戶(hù)空間進(jìn)入內(nèi)核空間并最終返回到用戶(hù)空間，這個(gè)過(guò)程是十分復(fù)雜的。舉個(gè)例子，比如我們經(jīng)常接觸的概念 “堆?！?，其實(shí)進(jìn)程在內(nèi)核態(tài)和用戶(hù)態(tài)各有一個(gè)堆棧。

運(yùn)行在用戶(hù)空間時(shí)進(jìn)程使用的是用戶(hù)空間中的堆棧，而運(yùn)行在內(nèi)核空間時(shí)，進(jìn)程使用的是內(nèi)核空間中的堆棧。所以說(shuō)，Linux 中每個(gè)進(jìn)程有兩個(gè)棧，分別用于用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)。

下圖簡(jiǎn)明的描述了用戶(hù)態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的轉(zhuǎn)換：

既然用戶(hù)態(tài)的進(jìn)程必須切換成內(nèi)核態(tài)才能使用系統(tǒng)的資源，那么我們接下來(lái)就看看進(jìn)程一共有多少種方式可以從用戶(hù)態(tài)進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)。

概括的說(shuō)，有三種方式：系統(tǒng)調(diào)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(shí)，所以這里不做展開(kāi)。

整體結(jié)構(gòu)接下來(lái)我們從內(nèi)核空間和用戶(hù)空間的角度看一看整個(gè) Linux 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。它大體可以分為三個(gè)部分，從下往上依次為：硬件 -》 內(nèi)核空間 -》 用戶(hù)空間。如下圖所示（此圖來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)）：

在硬件之上，內(nèi)核空間中的代碼控制了硬件資源的使用權(quán)，用戶(hù)空間中的代碼只有通過(guò)內(nèi)核暴露的系統(tǒng)調(diào)用接口（System Call Interface）才能使用到系統(tǒng)中的硬件資源。其實(shí)，不光是 Linux，Windows 操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是大同小異。

實(shí)際上我們可以將每個(gè)處理器在任何指定時(shí)間點(diǎn)上的活動(dòng)概括為下列三者之一：

運(yùn)行于用戶(hù)空間，執(zhí)行用戶(hù)進(jìn)程。

運(yùn)行于內(nèi)核空間，處于進(jìn)程上下文，代表某個(gè)特定的進(jìn)程執(zhí)行。

運(yùn)行于內(nèi)核空間，處于中斷上下文，與任何進(jìn)程無(wú)關(guān)，處理某個(gè)特定的中斷。

以上三點(diǎn)幾乎包括所有的情況，比如當(dāng) CPU 空閑時(shí)，內(nèi)核就運(yùn)行一個(gè)空進(jìn)程，處于進(jìn)程上下文，但運(yùn)行在內(nèi)核空間。

說(shuō)明：Linux 系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序不在進(jìn)程的上下文中執(zhí)行，它們?cè)谝粋€(gè)與所有進(jìn)程都無(wú)關(guān)的、專(zhuān)門(mén)的中斷上下文中執(zhí)行。

之所以存在一個(gè)專(zhuān)門(mén)的執(zhí)行環(huán)境，就是為了保證中斷服務(wù)程序能夠在第一時(shí)間響應(yīng)和處理中斷請(qǐng)求，然后快速地退出。

總結(jié)現(xiàn)代的操作系統(tǒng)大都通過(guò)內(nèi)核空間和用戶(hù)空間的設(shè)計(jì)來(lái)保護(hù)操作系統(tǒng)自身的安全性和穩(wěn)定性。所以在我們閱讀有關(guān)操作系統(tǒng)的資料時(shí)經(jīng)常遇到內(nèi)核空間、用戶(hù)空間和內(nèi)核態(tài)、用戶(hù)態(tài)等概念，希望本文能夠幫助您理解這些基本的概念。

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