一、 Unix/Linux的體系架構(gòu)

　　如上圖所示，從宏觀上來(lái)看，Linux操作系統(tǒng)的體系架構(gòu)分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)（或者用戶空間和內(nèi)核）。內(nèi)核從本質(zhì)上看是一種軟件——控制計(jì)算機(jī)的硬件資源，并提供上層應(yīng)用程序運(yùn)行的環(huán)境。用戶態(tài)即上層應(yīng)用程序的活動(dòng)空間，應(yīng)用程序的執(zhí)行必須依托于內(nèi)核提供的資源，包括CPU資源、存儲(chǔ)資源、I/O資源等。為了使上層應(yīng)用能夠訪問(wèn)到這些資源，內(nèi)核必須為上層應(yīng)用提供訪問(wèn)的接口：即系統(tǒng)調(diào)用。

　　系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)的最小功能單位，這些系統(tǒng)調(diào)用根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景可以進(jìn)行擴(kuò)展和裁剪，現(xiàn)在各種版本的Unix實(shí)現(xiàn)都提供了不同數(shù)量的系統(tǒng)調(diào)用，如Linux的不同版本提供了240-260個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，F(xiàn)reeBSD大約提供了320個(gè)（reference：UNIX環(huán)境高級(jí)編程）。我們可以把系統(tǒng)調(diào)用看成是一種不能再化簡(jiǎn)的操作（類似于原子操作，但是不同概念），有人把它比作一個(gè)漢字的一個(gè)“筆畫(huà)”，而一個(gè)“漢字”就代表一個(gè)上層應(yīng)用，我覺(jué)得這個(gè)比喻非常貼切。因此，有時(shí)候如果要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的漢字（給某個(gè)變量分配內(nèi)存空間），就必須調(diào)用很多的系統(tǒng)調(diào)用。如果從實(shí)現(xiàn)者（程序員）的角度來(lái)看，這勢(shì)必會(huì)加重程序員的負(fù)擔(dān)，良好的程序設(shè)計(jì)方法是：重視上層的業(yè)務(wù)邏輯操作，而盡可能避免底層復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。庫(kù)函數(shù)正是為了將程序員從復(fù)雜的細(xì)節(jié)中解脫出來(lái)而提出的一種有效方法。它實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)調(diào)用的封裝，將簡(jiǎn)單的業(yè)務(wù)邏輯接口呈現(xiàn)給用戶，方便用戶調(diào)用，從這個(gè)角度上看，庫(kù)函數(shù)就像是組成漢字的“偏旁”。這樣的一種組成方式極大增強(qiáng)了程序設(shè)計(jì)的靈活性，對(duì)于簡(jiǎn)單的操作，我們可以直接調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用來(lái)訪問(wèn)資源，如“人”，對(duì)于復(fù)雜操作，我們借助于庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如“仁”。顯然，這樣的庫(kù)函數(shù)依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)也可以有不同的實(shí)現(xiàn)版本，如ISO C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，POSIX標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)等。

　　Shell是一個(gè)特殊的應(yīng)用程序，俗稱命令行，本質(zhì)上是一個(gè)命令解釋器，它下通系統(tǒng)調(diào)用，上通各種應(yīng)用，通常充當(dāng)著一種“膠水”的角色，來(lái)連接各個(gè)小功能程序，讓不同程序能夠以一個(gè)清晰的接口協(xié)同工作，從而增強(qiáng)各個(gè)程序的功能。同時(shí)，Shell是可編程的，它可以執(zhí)行符合Shell語(yǔ)法的文本，這樣的文本稱為Shell腳本，通常短短的幾行Shell腳本就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)非常大的功能，原因就是這些Shell語(yǔ)句通常都對(duì)系統(tǒng)調(diào)用做了一層封裝。為了方便用戶和系統(tǒng)交互，一般，一個(gè)Shell對(duì)應(yīng)一個(gè)終端，終端是一個(gè)硬件設(shè)備，呈現(xiàn)給用戶的是一個(gè)圖形化窗口。我們可以通過(guò)這個(gè)窗口輸入或者輸出文本。這個(gè)文本直接傳遞給shell進(jìn)行分析解釋，然后執(zhí)行。

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總結(jié)一下，用戶態(tài)的應(yīng)用程序可以通過(guò)三種方式來(lái)訪問(wèn)內(nèi)核態(tài)的資源：

1）系統(tǒng)調(diào)用

2）庫(kù)函數(shù)

3）Shell腳本

　　下圖是對(duì)上圖的一個(gè)細(xì)分結(jié)構(gòu)，從這個(gè)圖上可以更進(jìn)一步對(duì)內(nèi)核所做的事有一個(gè)“全景式”的印象。主要表現(xiàn)為：向下控制硬件資源，向內(nèi)管理操作系統(tǒng)資源：包括進(jìn)程的調(diào)度和管理、內(nèi)存的管理、文件系統(tǒng)的管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的管理以及網(wǎng)絡(luò)資源的管理，向上則向應(yīng)用程序提供系統(tǒng)調(diào)用的接口。從整體上來(lái)看，整個(gè)操作系統(tǒng)分為兩層：用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，這種分層的架構(gòu)極大地提高了資源管理的可擴(kuò)展性和靈活性，而且方便用戶對(duì)資源的調(diào)用和集中式的管理，帶來(lái)一定的安全性。

二、用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換

　　因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的資源是有限的，如果訪問(wèn)資源的操作過(guò)多，必然會(huì)消耗過(guò)多的資源，而且如果不對(duì)這些操作加以區(qū)分，很可能造成資源訪問(wèn)的沖突。所以，為了減少有限資源的訪問(wèn)和使用沖突，Unix/Linux的設(shè)計(jì)哲學(xué)之一就是：對(duì)不同的操作賦予不同的執(zhí)行等級(jí)，就是所謂特權(quán)的概念。簡(jiǎn)單說(shuō)就是有多大能力做多大的事，與系統(tǒng)相關(guān)的一些特別關(guān)鍵的操作必須由最高特權(quán)的程序來(lái)完成。Intel的X86架構(gòu)的CPU提供了0到3四個(gè)特權(quán)級(jí)，數(shù)字越小，特權(quán)越高，Linux操作系統(tǒng)中主要采用了0和3兩個(gè)特權(quán)級(jí)，分別對(duì)應(yīng)的就是內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。運(yùn)行于用戶態(tài)的進(jìn)程可以執(zhí)行的操作和訪問(wèn)的資源都會(huì)受到極大的限制，而運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的進(jìn)程則可以執(zhí)行任何操作并且在資源的使用上沒(méi)有限制。很多程序開(kāi)始時(shí)運(yùn)行于用戶狀態(tài)，但在執(zhí)行的過(guò)程中，一些操作需要在內(nèi)核權(quán)限下才能執(zhí)行，這就涉及到一個(gè)從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的過(guò)程。比如C函數(shù)庫(kù)中的內(nèi)存分配函數(shù)malloc()，它具體是使用sbrk()系統(tǒng)調(diào)用來(lái)分配內(nèi)存，當(dāng)malloc調(diào)用sbrk()的時(shí)候就涉及一次從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，類似的函數(shù)還有printf()，調(diào)用的是wirte()系統(tǒng)調(diào)用來(lái)輸出字符串，等等。

　　到底在什么情況下會(huì)發(fā)生從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，一般存在以下三種情況：

1）當(dāng)然就是系統(tǒng)調(diào)用：原因如上的分析。

2）異常事件： 當(dāng)CPU正在執(zhí)行運(yùn)行在用戶態(tài)的程序時(shí)，突然發(fā)生某些預(yù)先不可知的異常事件，這個(gè)時(shí)候就會(huì)觸發(fā)從當(dāng)前用戶態(tài)執(zhí)行的進(jìn)程轉(zhuǎn)向內(nèi)核態(tài)執(zhí)行相關(guān)的異常事件，典型的如缺頁(yè)異常。

3）外圍設(shè)備的中斷：當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶的請(qǐng)求操作后，會(huì)像CPU發(fā)出中斷信號(hào)，此時(shí)，CPU就會(huì)暫停執(zhí)行下一條即將要執(zhí)行的指令，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷信號(hào)對(duì)應(yīng)的處理程序，如果先前執(zhí)行的指令是在用戶態(tài)下，則自然就發(fā)生從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換。

　　注意：系統(tǒng)調(diào)用的本質(zhì)其實(shí)也是中斷，相對(duì)于外圍設(shè)備的硬中斷，這種中斷稱為軟中斷，這是操作系統(tǒng)為用戶特別開(kāi)放的一種中斷，如Linux int 80h中斷。所以，從觸發(fā)方式和效果上來(lái)看，這三種切換方式是完全一樣的，都相當(dāng)于是執(zhí)行了一個(gè)中斷響應(yīng)的過(guò)程。但是從觸發(fā)的對(duì)象來(lái)看，系統(tǒng)調(diào)用是進(jìn)程主動(dòng)請(qǐng)求切換的，而異常和硬件中斷則是被動(dòng)的。

三、總結(jié)

　　本文僅是從宏觀的角度去理解Linux用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的設(shè)計(jì)，并沒(méi)有去深究它們的具體實(shí)現(xiàn)方式。從實(shí)現(xiàn)上來(lái)看，必須要考慮到的一點(diǎn)我想就是性能問(wèn)題，因?yàn)橛脩魬B(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的切換也會(huì)消耗大量資源。關(guān)于實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，目前學(xué)藝不精不敢亂說(shuō)，等日后補(bǔ)上。但知道了這一點(diǎn)，我相信對(duì)很多問(wèn)題也就很容易理解了，比如說(shuō)基于緩沖區(qū)的IO和無(wú)緩沖的IO，用戶進(jìn)程和內(nèi)核進(jìn)程之間的切換，IO復(fù)用中的讀寫(xiě)內(nèi)核事件表，等等，這些知識(shí)之后會(huì)一一補(bǔ)上。