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文章作者: 全栈编程@luboke.com
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了解用户空间与内核空间是后面我们讲解文件处理的基础,会带着各位同学理解文件操作的原理。

进程可分为两种类型:

一是操作系统自身运行时的内核类进程,也称为操作系统进程。

另一种即非内核类进程,不是操作系统自身的进程,而是想要实现某些功能,用户自己去启动的程序产生的进程,也称为用户类进程或用户进程。比如qq

操作系统自身也是一个程序,它启动之后也有很多内核进程在后台工作,而且这些内核进程都非常重要,是操作系统正常运行并提供服务的必要进程,比如负责调度类的进程、内存管理类进程等。

而操作系统要提供程序的运行平台,还要管理各类软硬件资源(比如进程调度是在管理CPU资源,内存的分配和回收是在管理内存资源,等等),那么操作系统必然要以一种最高权限的方式去运行,其它用户进程都必须不能具备这个最高权限。

此外,操作系统必须要在任何有需要的时候掌握CPU的控制权,因为进程是通过CPU去执行的,操作系统掌握了CPU的控制权,就代表操作系统进程开始执行。例如,在任何需要进行进程调度的时候,必须能够立即回到操作系统,让负责进程调度的进程开始根据调度算法去调度下一个进程。 

操作系统必须能够在任何有需要的时候暂停某个进程并切换到操作系统内核进程,即拿到CPU的控制权。

要让操作系统具备最高权限,并让用户进程不具备最高权限,CPU提供了两种运行模式:内核模式用户模式

内核模式用户模式这两种进程状态是CPU提供的控制,而不是操作系统提供的。 

这两种模式描述了进程的工作状态,是工作在内核模式下还是工作在用户模式下。

在内核模式下,表示具备了最高权限,操作系统自身进程都是工作在内核模式下;

在用户模式下,执行的代码将受到一些限制,用户进程都是工作在用户模式下,该模式下的进程不能执行一些关键性的操作,比如用户进程必须不能让它自己也变成内核态进程工作在内核模式下。

工作在这两种状态下的进程也称为内核态进程和用户态进程,也会把这两种模式称为用户空间内核空间。 

比如用户空间要执行特殊的命令就需要调用内核态提供的接口来操作。

 

如何保证在需要的时候,能够立即切换回操作系统呢?通过中断.

中断

程序在执行的过程当中如果想在任何需要的时候回到操作系统,也就是改变CPU的正常执行流程,这种机制在计算机当中被称为中断(Interrupt)。

通过中断,让当前的操作模式回到操作系统,此时CPU的控制权就交给了操作系统。 

中断分为硬件中断和软件中断。

硬件中断

任何硬件,都有自己的IRQ(中断请求),都可以在需要的时候通过总线向CPU发送硬件中断通知。比如时钟中断,当进程执行耗光时间片时将产生一个时钟中断,使得能够立刻进入操作系统并调度下一个要执行的进程,时钟中断是操作系统具有安全感的保证,只要时钟开始运行后,就意味着操作系统最终总能够获取到CPU控制权。再比如硬盘的IO中断,当硬盘读取所请求的数据完成后,就会发送硬盘IO中断,CPU接到该中断后就会切换到操作系统,让操作系统去处理这个中断事件。

软件中断

软件也可以发送中断,比如请求一个系统调用(system call),关于系统调用,后面再介绍。

无论是软中断还是硬件中断,最终的目的都是为了回到操作系统,将CPU交给操作系统。那么,中断是如何回到操作系统的呢?换句话说,中断时是如何进入内核态的呢?内核态又如何回到用户态呢? 

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