用户空间与内核空间
在操作系统都是采用虚拟存储器,那么对32位操作系统而言,它的寻址空间(虚拟存储空间)为4G(2的32次方)。操心系统的核心是内核,独立于普通的应用程序,可以访问受保护的内存空间,也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核,保证内核的安全,操心系统将虚拟空间划分为两部分,一部分为内核空间,一部分为用户空间。针对linux操作系统而言,将最高的1G字节(从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF),供内核使用,称为内核空间,而将较低的3G字节(从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF),供各个进程使用,称为用户空间。每个进程可以通过系统调用进入内核,因此,Linux内核由系统内的所有进程共享。于是,从具体进程的角度来看,每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间。空间分配如下图所示:
有了用户空间和内核空间,整个linux内部结构可以分为三部分,从最底层到最上层依次是:硬件–>内核空间–>用户空间。如下图所示:
- 内核空间中存放的是内核代码和数据,而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间,它们都处于虚拟空间中;
- Linux使用两级保护机制:0级供内核使用,3级供用户程序使用
内核态
当一个任务(进程)执行系统调用而陷入内核代码中执行时,称进程处于内核运行态(内核态)。此时处理器处于特权级最高的(0级)内核代码中执行。当进程处于内核态时,执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈;
用户态
当进程在执行用户自己的代码时,则称其处于用户运行态(用户态)。此时处理器在特权级最低的(3级)用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时,此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈;
进程上下文与中断上下文
进程上下文状态
程序在执行过程中通常有用户态和内核态两种状态,CPU对处于内核态根据上下文环境进一步细分,因此有了下面三种状态:
- 内核态,运行于进程上下文,内核代表进程运行于内核空间
- 内核态,运行于中断上下文,内核代表硬件运行于内核空间
- 用户态,运行于用户空间
上下文环境
所谓的“进程上下文”,可以看作是用户进程传递给内核的这些参数以及内核要保存的那一整套的变量和寄存器值和当时的环境等;
进程执行时的环境,具体来说就是各个变量和数据,包括所有的寄存器变量、进程打开的文件、内存信息等。一个进程的上下文可以分为三个部分
- 用户级上下文: 正文、数据、用户堆栈以及共享存储区;
- 寄存器上下文: 通用寄存器、程序寄存器(IP)、处理器状态寄存器(EFLAGS)、栈指针(ESP);
- 系统级上下文: 进程控制块task_struct、内存管理信息(mm_struct、vm_area_struct、pgd、pte)、内核栈。