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限制⼀个应⽤可以执⾏的指令以及他可以⽤来访问的地址… 文章目录 内核态(Kernel Mode)用户态(User Mode)用户态和内核态之间的切换为什么要切换如何切换系统调用硬件中断异常处理 为了使操作系统内核提供⼀个⽆懈可击的进程抽象处理器必须提供⼀种机制
限制⼀个应⽤可以执⾏的指令以及他可以⽤来访问的地址空间范围。 处理器通常是⽤某个控制寄存器中的⼀个
模式位来提供这种功能的该寄存器描述了进程当前享有的特权。 当设置了模式位时进程就运⾏在内核态中。运⾏在内核态中的进程可以执⾏指令集中的任何指令并且可以访问系统中的任何内存位置。
没有设置模式位时 进程就运⾏在⽤户态。⽤户模式中的进程不允许执⾏特权指令。
内核态(Kernel Mode)
定义与权限内核态是操作系统代码运行的一种模式具有访问系统所有资源的权限。在这个状态下代码有权访问硬件设备、内存管理功能、文件系统和其他核心管理功能。安全与效率内核态提供了对硬件的直接控制能力这意味着运行在内核态的代码必须是高度可信的因为错误的操作可能导致系统崩溃或安全问题。操作系统的核心组件如调度器、内存管理器运行在内核态以高效管理硬件资源和执行关键的系统任务。限制访问普通用户程序通常不允许直接运行在内核态防止误操作或恶意软件破坏系统稳定性和安全性。
用户态(User Mode)
定义与权限用户态是指那些运行用户程序的模式这些程序不能直接执行硬件操作或访问受保护的内存区域。用户态程序通常通过系统调用请求操作系统提供的服务如读写文件、发送网络数据等。安全隔离用户态为系统提供了一种安全机制确保用户程序不能直接干扰系统操作或访问其他程序的数据。这种隔离保护了系统的稳定性和安全性。系统调用当用户程序需要执行一项不能直接在用户态完成的操作时它会执行一个系统调用。系统调用是一种软件中断通知操作系统代表用户程序执行某项功能。操作系统接收到调用后会切换到内核态来执行请求的服务完成后再返回到用户态继续用户程序的执行。
用户态和内核态之间的切换
为什么要切换
一般来说一个进程运行在内核态是不安全的因为错误的操作可能导致操作系统崩溃 操作系统需要在用户态和内核态之间切换以提供既安全又高效的计算环境。用户程序在大多数时间内运行在用户态当它需要操作系统服务如文件访问、网络通信时通过系统调用切换到内核态。
如何切换
对于某个进程而言它可能会在运行过程中在用户态和内核态之间来回切换。这种切换通常发生在进程执行系统调用、处理硬件中断或响应操作系统的异常处理时。下面是几种典型情况它们会导致进程从用户态切换到内核态
系统调用
当一个进程需要执行某些不能直接在用户空间完成的操作时如文件操作、网络请求或访问某些硬件资源它会执行一个系统调用。系统调用是一种程序接口由操作系统提供允许用户程序请求操作系统为其提供服务。执行系统调用会导致进程从用户态切换到内核态操作系统接管控制权完成请求的服务然后将控制权返回给用户程序同时切换回用户态。
硬件中断
当硬件设备如键盘、网络接口卡等完成其任务或需要注意时会向CPU发送中断信号。CPU接收到中断后会暂停当前执行的进程切换到内核态处理中断。处理完毕后操作系统会将CPU控制权返回给之前的进程进程可能会继续在用户态运行或根据情况再次进入内核态。
异常处理
在执行过程中如果进程遇到错误或异常情况如试图访问未分配的内存区域操作系统会介入将执行切换到内核态以处理这些异常。异常处理完成后根据异常的性质操作系统可能会让进程继续运行、终止进程或将其挂起。
