操作系統(tǒng)區(qū)分內(nèi)核空間與用戶空間的核心目的是?保障系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性?，同時(shí)實(shí)現(xiàn)?資源的高效管理?。

安全性

內(nèi)核空間擁有最高權(quán)限，可直接管理硬件資源，而用戶空間權(quán)限受限。若用戶程序(如惡意軟件)直接運(yùn)行在內(nèi)核空間，可能破壞系統(tǒng)關(guān)鍵組件(如內(nèi)存管理、進(jìn)程調(diào)度)，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。通過隔離，操作系統(tǒng)可防止用戶程序直接訪問硬件或執(zhí)行敏感操作(如修改內(nèi)存映射、時(shí)鐘設(shè)置等)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。 ?12穩(wěn)定性

用戶空間程序崩潰時(shí)，通常僅影響自身進(jìn)程，不會(huì)波及整個(gè)系統(tǒng)。內(nèi)核空間程序崩潰可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，因此將大部分程序限制在用戶空間可保持系統(tǒng)穩(wěn)定。 ?12資源管理

內(nèi)核空間直接控制所有資源(如CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備)，而用戶空間需通過系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求資源。這種分離確保資源分配的公平性和效率，避免用戶程序直接爭(zhēng)奪硬件資源。

內(nèi)核空間和用戶空間是操作系統(tǒng)中的兩個(gè)重要概念，用于區(qū)分操作系統(tǒng)內(nèi)核和用戶程序的運(yùn)行環(huán)境。它們之間的差異主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

定義：內(nèi)核空間是操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行的環(huán)境，包含操作系統(tǒng)的核心功能和服務(wù);用戶空間是用戶程序運(yùn)行的環(huán)境，包含用戶應(yīng)用程序和服務(wù)。

權(quán)限：內(nèi)核空間具有最高的權(quán)限，可以直接訪問和控制硬件資源，執(zhí)行特權(quán)指令;用戶空間的權(quán)限受限，無法直接訪問硬件資源，必須通過系統(tǒng)調(diào)用接口向內(nèi)核發(fā)起請(qǐng)求。

內(nèi)存隔離：內(nèi)核空間和用戶空間在內(nèi)存中是分開的，有獨(dú)立的地址空間;內(nèi)核空間的地址空間通常是固定的，而用戶空間的地址空間可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)分配。

資源訪問：內(nèi)核空間可以訪問系統(tǒng)的所有資源，如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等;用戶空間只能通過系統(tǒng)調(diào)用接口向內(nèi)核請(qǐng)求訪問資源。

安全性：由于內(nèi)核空間具有最高權(quán)限，因此對(duì)內(nèi)核空間的訪問需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以防止惡意程序?qū)ο到y(tǒng)造成破壞;用戶空間的程序受限于權(quán)限，無法直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改。

內(nèi)核空間和用戶空間的差異在操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中起著重要的作用。內(nèi)核空間負(fù)責(zé)管理和控制系統(tǒng)資源，提供各種系統(tǒng)服務(wù);用戶空間則是應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境，通過系統(tǒng)調(diào)用接口與內(nèi)核進(jìn)行交互。這種分離的設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可維護(hù)性。

簡(jiǎn)單來說，Linux的內(nèi)核空間和用戶空間是指操作系統(tǒng)的兩個(gè)不同的虛擬地址空間。內(nèi)核空間是操作系統(tǒng)內(nèi)核執(zhí)行時(shí)所使用的地址空間，它包含了操作系統(tǒng)內(nèi)核以及內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行時(shí)所需要的內(nèi)存空間;而用戶空間則是用戶程序和應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)所使用的地址空間，它包含了應(yīng)用程序需要的內(nèi)存空間。內(nèi)核空間和用戶空間是隔離的，這是為了保證操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。用戶空間只能訪問特定的內(nèi)存區(qū)域，而不能訪問操作系統(tǒng)內(nèi)核的內(nèi)存。如果用戶程序需要執(zhí)行一些操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能，那么需要通過系統(tǒng)調(diào)用將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到內(nèi)核空間，由內(nèi)核來執(zhí)行相應(yīng)的操作。總之，Linux的內(nèi)核空間和用戶空間的劃分對(duì)于操作系統(tǒng)的可靠性和安全性至關(guān)重要。

為什么要學(xué)習(xí)內(nèi)核空間和用戶空間?學(xué)習(xí)內(nèi)核空間和用戶空間可以幫助理解操作系統(tǒng)的工作原理和運(yùn)行機(jī)制。內(nèi)核空間是操作系統(tǒng)運(yùn)行的核心部分，控制計(jì)算機(jī)的硬件資源和提供服務(wù);用戶空間則是指給應(yīng)用程序運(yùn)行的一塊獨(dú)立空間，可以在這里運(yùn)行各種應(yīng)用程序。學(xué)習(xí)內(nèi)核空間和用戶空間的原理、通信方式和交互方式可以幫助程序員優(yōu)化代碼和提高應(yīng)用程序的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

Linux內(nèi)核空間和用戶空間的使用方法：內(nèi)核空間是操作系統(tǒng)核心的一部分，這部分代碼運(yùn)行在受保護(hù)的特權(quán)模式下，在此模式下，代碼可以執(zhí)行底層操作并訪問系統(tǒng)資源，如硬件和內(nèi)存。用戶空間則是進(jìn)程運(yùn)行的區(qū)域，其中包括應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)。在用戶空間下運(yùn)行的進(jìn)程只能訪問受限的系統(tǒng)資源，比如文件。

在Linux中，內(nèi)核空間和用戶空間的劃分是由CPU硬件級(jí)別決定的。進(jìn)程可以通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核空間來訪問受保護(hù)的系統(tǒng)資源。系統(tǒng)調(diào)用是從用戶空間進(jìn)程發(fā)起的一種請(qǐng)求，它會(huì)觸發(fā)CPU進(jìn)入到灰模式下運(yùn)行內(nèi)核代碼。內(nèi)核代碼運(yùn)行完畢后，系統(tǒng)調(diào)用返回到用戶空間，并將結(jié)果返回給應(yīng)用程序。

總體來說，內(nèi)核空間和用戶空間的使用方法是通過系統(tǒng)調(diào)用來訪問和操作受保護(hù)的系統(tǒng)資源。應(yīng)用程序通常運(yùn)行在用戶空間中，而內(nèi)核代碼則運(yùn)行在內(nèi)核空間中，它們通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行通信和交互。

作系統(tǒng)的世界里，內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)是兩個(gè)相互依存、又彼此制約的概念。它們共同構(gòu)成了操作系統(tǒng)的核心架構(gòu)，為計(jì)算機(jī)的順暢運(yùn)行提供了有力保障。理解這兩者的關(guān)系，就如同掌握了自律與自由的平衡藝術(shù)。在操作系統(tǒng)的微觀世界里，這種平衡同樣至關(guān)重要。

01內(nèi)核和用戶態(tài)基本概念要深入理解內(nèi)核態(tài)，首先得弄清內(nèi)核的概念。內(nèi)核，作為操作系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)提供基礎(chǔ)性和結(jié)構(gòu)性的功能，如內(nèi)存管理和文件系統(tǒng)等。然而，內(nèi)核并不等同于操作系統(tǒng)本身。盡管Linux常被簡(jiǎn)稱為內(nèi)核，但實(shí)際上，更準(zhǔn)確的表述應(yīng)該是GNU/Linux，以避免混淆。

在操作系統(tǒng)中，內(nèi)存被劃分為兩個(gè)區(qū)域：用戶空間和內(nèi)核空間。內(nèi)核代碼在內(nèi)核空間中運(yùn)行，而用戶代碼則在用戶空間中執(zhí)行。此外，內(nèi)核還分為多種類型，如宏內(nèi)核和微內(nèi)核。Linux采用的就是宏內(nèi)核設(shè)計(jì)。

? 用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

「內(nèi)核態(tài)」是執(zhí)行操作系統(tǒng)代碼的狀態(tài)，它擁有最高的權(quán)限等級(jí)，能夠完全訪問所有硬件資源。相比之下，「用戶態(tài)」則是執(zhí)行用戶代碼的狀態(tài)，例如我們?nèi)粘Ｊ褂玫腝Q、微信以及瀏覽器訪問網(wǎng)頁等，均屬于此范疇。值得注意的是，當(dāng)用戶程序需要執(zhí)行操作系統(tǒng)代碼時(shí)，會(huì)通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行切換至「內(nèi)核態(tài)」。

另一種理解「內(nèi)核態(tài)」與「用戶態(tài)」的方式，是內(nèi)存空間的劃分。內(nèi)存被劃分為「內(nèi)核空間」和「用戶空間」，因此「內(nèi)核態(tài)」可以無限制地訪問整個(gè)內(nèi)存空間，包括「內(nèi)核空間」和「用戶空間」，而「用戶態(tài)」則僅限于訪問「用戶空間」。這種權(quán)限劃分提供了操作系統(tǒng)向程序員優(yōu)雅抽象的重要功能。

從技術(shù)層面來看，「用戶/內(nèi)核態(tài)」是通過CPU的程序狀態(tài)寄存器中的兩位標(biāo)志位來區(qū)分的。具體而言，當(dāng)標(biāo)志位為00時(shí)，表示程序處于「內(nèi)核態(tài)」，而標(biāo)志位為11時(shí)，則表示程序處于「用戶態(tài)」。這種設(shè)計(jì)使得CPU能夠準(zhǔn)確地區(qū)分代碼段是來自內(nèi)核還是用戶。

然而，這里可能有人會(huì)問：既然內(nèi)核代碼部分也是用C語言編寫的，那么CPU是如何區(qū)分這些代碼段的呢?這就要涉及到CPU的「程序狀態(tài)寄存器」中的ring標(biāo)志位設(shè)計(jì)了。盡管大多數(shù)操作系統(tǒng)僅使用兩種權(quán)限等級(jí)，即0和3，但這種設(shè)計(jì)仍然確保了操作系統(tǒng)能夠高效且安全地管理硬件資源和執(zhí)行用戶代碼。

02宏內(nèi)核與微內(nèi)核比較宏內(nèi)核的特點(diǎn)在于其高度的功能集成性。為了實(shí)現(xiàn)諸如TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信、進(jìn)程管理、內(nèi)存管理和IO設(shè)備管理等眾多功能，內(nèi)核將多個(gè)功能模塊集成在一起，形成一個(gè)龐大的代碼庫。這種設(shè)計(jì)雖然帶來了卓越的性能表現(xiàn)，但同時(shí)也增加了各模塊間的耦合度。

與宏內(nèi)核相對(duì)的是微內(nèi)核設(shè)計(jì)。微內(nèi)核僅提供最核心的功能，如任務(wù)調(diào)度和中斷處理等，而將其他模塊如進(jìn)程管理移出內(nèi)核，成為獨(dú)立的服務(wù)進(jìn)程。這種設(shè)計(jì)降低了模塊間的耦合度，但進(jìn)程間的通信機(jī)制卻依賴于微內(nèi)核本身，因此在某些情況下可能會(huì)影響到運(yùn)行速度。當(dāng)然，除了宏內(nèi)核和微內(nèi)核，還存在一種混合內(nèi)核設(shè)計(jì)，它試圖平衡這兩種方案的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服它們的不足。然而，由于篇幅限制，這里我們不再深入探討混合內(nèi)核的細(xì)節(jié)。

操作系統(tǒng)區(qū)分內(nèi)核和用戶態(tài)的原因

1. 設(shè)計(jì)用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，并且用戶態(tài)成運(yùn)行程序需要調(diào)用內(nèi)核態(tài)的原因?

因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的資源是有限的，如果訪問資源的操作過多，必然會(huì)消耗過多的資源，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的沖突。所以，為了減少有限資源的訪問和使用沖突，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。

2.內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)有什么不同?

內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)是操作系統(tǒng)的兩種運(yùn)行級(jí)別，跟intel cpu沒有必然聯(lián)系，intel cpu提供Ring0-Ring3三種級(jí)別運(yùn)行模式，Ring0級(jí)別最高，Ring3級(jí)別最低。Linux使用了Ring3級(jí)別運(yùn)行用戶態(tài)。

1.Ring0作為內(nèi)核態(tài)，沒有使用Ring1和Ring2。 2.Ring3不能訪問Ring0的地址空間，包括代碼和數(shù)量。

Linux進(jìn)程的4GB空間，3G-4G部分大家是共享的，是內(nèi)核態(tài)的地址空間，這里存放在整個(gè)內(nèi)核代碼和所有的內(nèi)核模塊，以及內(nèi)核所維護(hù)的數(shù)據(jù)。

三、內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的交互

運(yùn)行于用戶態(tài)的進(jìn)程可以執(zhí)行的操作和訪問的資源都會(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有限制，下面是用戶態(tài)轉(zhuǎn)換成內(nèi)核態(tài)的幾種方式：

1. 系統(tǒng)調(diào)用：這是用戶進(jìn)程主動(dòng)要求切換到內(nèi)核態(tài)的一種方式，用戶進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用申請(qǐng)操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作。而系統(tǒng)調(diào)用的機(jī)制其核心還是使用了操作系統(tǒng)為用戶特別開放的一個(gè)中斷來實(shí)現(xiàn)

2.異常：當(dāng)CPU在執(zhí)行運(yùn)行在用戶態(tài)的程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)了某些事件不可知的異常，這是會(huì)觸發(fā)由當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程切換到處理此異常的內(nèi)核相關(guān)程序中，也就到了內(nèi)核態(tài)

3. 外圍設(shè)備的中斷：當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶請(qǐng)求的操作之后，會(huì)向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信號(hào)，這時(shí)CPU會(huì)暫停執(zhí)行下一條將要執(zhí)行的指令轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷信號(hào)的處理程序，如果先執(zhí)行的指令是用戶態(tài)下的程序，那么這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程自然也就發(fā)生了有用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換

很多程序開始時(shí)運(yùn)行于用戶態(tài)，但在執(zhí)行的過程中，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)的過程。比如C函數(shù)庫中的內(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)用來輸出字符串，等等。