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Linux 內(nèi)核空間與用戶空間實現(xiàn)與分析

 更新時間:2018年02月24日 14:32:31   作者:sparkdev  
這篇文章主要介紹了Linux 內(nèi)核空間與用戶空間實現(xiàn)與分析,小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,也給大家做個參考。一起跟隨小編過來看看吧

本文以 32 位系統(tǒng)為例介紹內(nèi)核空間(kernel space)和用戶空間(user space)。

內(nèi)核空間和用戶空間

對 32 位操作系統(tǒng)而言,它的尋址空間(虛擬地址空間,或叫線性地址空間)為 4G(2的32次方)。也就是說一個進程的最大地址空間為 4G。操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核(kernel),它獨立于普通的應用程序,可以訪問受保護的內(nèi)存空間,也有訪問底層硬件設(shè)備的所有權(quán)限。為了保證內(nèi)核的安全,現(xiàn)在的操作系統(tǒng)一般都強制用戶進程不能直接操作內(nèi)核。具體的實現(xiàn)方式基本都是由操作系統(tǒng)將虛擬地址空間劃分為兩部分,一部分為內(nèi)核空間,另一部分為用戶空間。針對 Linux 操作系統(tǒng)而言,最高的 1G 字節(jié)(從虛擬地址 0xC0000000 到 0xFFFFFFFF)由內(nèi)核使用,稱為內(nèi)核空間。而較低的 3G 字節(jié)(從虛擬地址 0x00000000 到 0xBFFFFFFF)由各個進程使用,稱為用戶空間。

對上面這段內(nèi)容我們可以這樣理解:

每個進程的 4G 地址空間中,最高 1G 都是一樣的,即內(nèi)核空間。只有剩余的 3G 才歸進程自己使用。

換句話說就是, 最高 1G 的內(nèi)核空間是被所有進程共享的!

下圖描述了每個進程 4G 地址空間的分配情況(此圖來自互聯(lián)網(wǎng)):

為什么需要區(qū)分內(nèi)核空間與用戶空間

在 CPU 的所有指令中,有些指令是非常危險的,如果錯用,將導致系統(tǒng)崩潰,比如清內(nèi)存、設(shè)置時鐘等。如果允許所有的程序都可以使用這些指令,那么系統(tǒng)崩潰的概率將大大增加。

所以,CPU 將指令分為特權(quán)指令和非特權(quán)指令,對于那些危險的指令,只允許操作系統(tǒng)及其相關(guān)模塊使用,普通應用程序只能使用那些不會造成災難的指令。比如 Intel 的 CPU 將特權(quán)等級分為 4 個級別:Ring0~Ring3。

其實 Linux 系統(tǒng)只使用了 Ring0 和 Ring3 兩個運行級別(Windows 系統(tǒng)也是一樣的)。當進程運行在 Ring3 級別時被稱為運行在用戶態(tài),而運行在 Ring0 級別時被稱為運行在內(nèi)核態(tài)。

內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)

好了我們現(xiàn)在需要再解釋一下什么是內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài):

當進程運行在內(nèi)核空間時就處于內(nèi)核態(tài),而進程運行在用戶空間時則處于用戶態(tài)。

在內(nèi)核態(tài)下,進程運行在內(nèi)核地址空間中,此時 CPU 可以執(zhí)行任何指令。運行的代碼也不受任何的限制,可以自由地訪問任何有效地址,也可以直接進行端口的訪問。

在用戶態(tài)下,進程運行在用戶地址空間中,被執(zhí)行的代碼要受到 CPU 的諸多檢查,它們只能訪問映射其地址空間的頁表項中規(guī)定的在用戶態(tài)下可訪問頁面的虛擬地址,且只能對任務狀態(tài)段(TSS)中 I/O 許可位圖(I/O Permission Bitmap)中規(guī)定的可訪問端口進行直接訪問。

對于以前的 DOS 操作系統(tǒng)來說,是沒有內(nèi)核空間、用戶空間以及內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)這些概念的??梢哉J為所有的代碼都是運行在內(nèi)核態(tài)的,因而用戶編寫的應用程序代碼可以很容易的讓操作系統(tǒng)崩潰掉。
對于 Linux 來說,通過區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間的設(shè)計,隔離了操作系統(tǒng)代碼(操作系統(tǒng)的代碼要比應用程序的代碼健壯很多)與應用程序代碼。即便是單個應用程序出現(xiàn)錯誤也不會影響到操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性,這樣其它的程序還可以正常的運行(Linux 可是個多任務系統(tǒng)??!)。

所以,區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間本質(zhì)上是要提高操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可用性。

如何從用戶空間進入內(nèi)核空間

其實所有的系統(tǒng)資源管理都是在內(nèi)核空間中完成的。比如讀寫磁盤文件,分配回收內(nèi)存,從網(wǎng)絡(luò)接口讀寫數(shù)據(jù)等等。我們的應用程序是無法直接進行這樣的操作的。但是我們可以通過內(nèi)核提供的接口來完成這樣的任務。

比如應用程序要讀取磁盤上的一個文件,它可以向內(nèi)核發(fā)起一個 "系統(tǒng)調(diào)用" 告訴內(nèi)核:"我要讀取磁盤上的某某文件"。其實就是通過一個特殊的指令讓進程從用戶態(tài)進入到內(nèi)核態(tài)(到了內(nèi)核空間),在內(nèi)核空間中,CPU 可以執(zhí)行任何的指令,當然也包括從磁盤上讀取數(shù)據(jù)。具體過程是先把數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)核空間中,然后再把數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間并從內(nèi)核態(tài)切換到用戶態(tài)。此時應用程序已經(jīng)從系統(tǒng)調(diào)用中返回并且拿到了想要的數(shù)據(jù),可以開開心心的往下執(zhí)行了。

簡單說就是應用程序把高科技的事情(從磁盤讀取文件)外包給了系統(tǒng)內(nèi)核,系統(tǒng)內(nèi)核做這些事情既專業(yè)又高效。

對于一個進程來講,從用戶空間進入內(nèi)核空間并最終返回到用戶空間,這個過程是十分復雜的。舉個例子,比如我們經(jīng)常接觸的概念 "堆棧",其實進程在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)各有一個堆棧。運行在用戶空間時進程使用的是用戶空間中的堆棧,而運行在內(nèi)核空間時,進程使用的是內(nèi)核空間中的堆棧。所以說,Linux 中每個進程有兩個棧,分別用于用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。

下圖簡明的描述了用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的轉(zhuǎn)換:

既然用戶態(tài)的進程必須切換成內(nèi)核態(tài)才能使用系統(tǒng)的資源,那么我們接下來就看看進程一共有多少種方式可以從用戶態(tài)進入到內(nèi)核態(tài)。概括的說,有三種方式:系統(tǒng)調(diào)用、軟中斷和硬件中斷。這三種方式每一種都涉及到大量的操作系統(tǒng)知識,所以這里不做展開。

整體結(jié)構(gòu)

接下來我們從內(nèi)核空間和用戶空間的角度看一看整個 Linux 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。它大體可以分為三個部分,從下往上依次為:硬件 -> 內(nèi)核空間 -> 用戶空間。如下圖所示(此圖來自互聯(lián)網(wǎng)):

在硬件之上,內(nèi)核空間中的代碼控制了硬件資源的使用權(quán),用戶空間中的代碼只有通過內(nèi)核暴露的系統(tǒng)調(diào)用接口(System Call Interface)才能使用到系統(tǒng)中的硬件資源。其實,不光是 Linux,Windows 操作系統(tǒng)的設(shè)計也是大同小異。

總結(jié)

現(xiàn)代的操作系統(tǒng)大都通過內(nèi)核空間和用戶空間的設(shè)計來保護操作系統(tǒng)自身的安全性和穩(wěn)定性。所以在我們閱讀有關(guān)操作系統(tǒng)的資料時經(jīng)常遇到內(nèi)核空間、用戶空間和內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)等概念,希望本文能夠幫助您理解這些基本的概念。

以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學習有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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