一、Linux系统结构

Linux特权级别：Linux的架构中，很重要的一个能力就是操纵系统资源的能力。系统资源是有限的，如果不加限制的允许任何程序以任何方式去操纵系统资源，必然会造成资源的浪费，发生资源不足等情况。为了减少这种情况的发生，Linux制定了一个等级制定，即特权。Linux将特权分成两个层次，以0和3标识。0特权级操纵系统资源上是没有任何限制的，可以执行任何操作，而3，则会受到极大的限制。Linux中，还存在R1和R2两个级别，一般归属驱动程序的级别。在Windows平台没有R1和R2两个级别，只用R0内核态和R3用户态 ; 0级特权可以访问0-3,1特权级可以访问1-3...；  我们把特权级0称之为内核态，特权级3称之为用户态。

内核态：内核，实质是一个软件，内核具备直接操纵系统资源的能力(CPU资源，I/O资源)等的能力。
用户态：上层应用程序的活动空间，应用程序的执行必须依托于内核提供的资源,不具备直接操作系统资源的能力

系统调用：为了使上层应用能够访问使用系统资源，内核为上层应用提供访问的接口。系统调用可以理解为操作系统的最小功能单位，所有有应用程序，都是通过系统调用完成系统资源的操作。

Shell：它是一个特殊的应用程序，俗称命令行。类似于windows的cmd，是一个命令解释器。有些应用程序是基于Shell做的，而不是基于系统调用

公用函数库：一个Linux系统，根据版本不同，大约包含240~260个系统调用。为了使得操作更为简单，更加便于应用程序使用，Linux系统对系统调用的部分功能进行了再次封装，形成了公用函数库，以供应用程序调用。公用函数库中的一个方法，实质上是若干个系统调用以特定的逻辑组合而成。

用户态的应用程序可以通过三种方式来访问内核态的资源：

• 1）系统调用
• 2）库函数
• 3）Shell脚本

二、用户态与内核态的切换

应用程序一般会在以下几种情况下切换到内核态：
1． 系统调用：C函数库中的内存分配函数malloc()，它具体是使用sbrk()系统调用来分配内存，当malloc调用sbrk()的时候就涉及一次从用户态到内核态的切换，类似的函数还有printf()，调用的是wirte()系统调用来输出字符串。
2． 异常事件。当发生某些预先不可知的异常时，就会切换到内核态，以执行相关的异常事件。
3． 设备中断。在使用外围设备时，如外围设备完成了用户请求，就会向CPU发送一个中断信号，此时，CPU就会暂停执行原本的下一条指令，转去处理中断事件。此时，如果原来在用户态，则自然就会切换到内核态。

系统调用的本质其实也是中断，相对于外围设备的硬中断，这种中断称为软中断。从触发方式和效果上来看，这三种切换方式是完全一样的，都相当于是执行了一个中断响应的过程。但是从触发的对象来看，系统调用是进程主动请求切换的，而异常和硬中断则是被动的。

用户态如何切换到内核态

1、若中断时，进程在执行用户态的代码，该中断会引起CPU特权级从3级到0级的切换，此时CPU会进行堆栈的切换，CPU会从当前任务的TSS中取到新堆栈的段选择符和偏移值；CPU首先会把原用户态的堆栈指针ss和esp压入内核态堆栈，随后把标志寄存器eflags的内容和此次中断的返回位置cs，eip压入内核态堆栈。当中断处理函数结束后，将恢复内核栈中的数据，并继续处理被中断的进程。

2、若中断时，进程正在执行内核态的代码，则不需要堆栈的切换，CPU仅把eflags的内容和此次中断的返回位置cs，eip压入内核态堆栈，然后执行中断服务程序。

用户态切换到内核态的开销

1、当用户态切换到内核态时系统调用一般都需要保存用户程序上下文(context), 在进入内核的时候需要保存用户态的寄存器

2、内核态返回用户态的时候会恢复这些寄存器的内容

3、 如果需要在不同用户程序间切换的话，那么还要更新cr3寄存器，这样会更换每个程序的虚拟内存到物理内存映射表的地址，也是一个比较高负担的操作

4、每个进程都会有两个栈，一个内核态栈和一个用户态栈。当int中断执行时就会由用户态栈转向内核态栈。系统调用时需要进行栈的切换。而且内核代码对用户不信任，需要进行额外的检查。系统调用的返回过程有很多额外工作，比如检查是否需要调度等。