2.2.1 用户态、内核态的形成 -《zobolの操作系统学习札记》

内核态的出现，让计算机系统的权力向操作系统高度集中了。

操作系统分出内核态和用户态，就是为了进行不同等级的权限管理， 从而更好的适应多用户多任务并发的工作环境。

用户态和内核态的来源

在早期的单进程单用户操作系统中，是不存在两种用户态的。

随着进程和用户的出现，当时的计算机面临着一个重要问题，就是如何限制不同进程的操作的权限。（因为操作系统无法预测未来会出现什么样的进程）

把计算机内部想象成一个有条不紊的工厂，那必须在管理者和被管理者之间制定好规则，每个职位的权限都一定要确定好。

所以当时的工程师，就准备让一些危险的操作只允许操作系统的进程去做。如果其他用户进程想做这个操作，必须询先询问操作系统的意见。然后由操作系统去做，做完再把数据传给询问的用户进程。（比如I/O操作）

随着内核态的出现，操作系统进程/线程也正式凌驾于用户线程之上

权限本质就是可以做的事情不同。

CPU的内核态、用户态出现

如果只是操作系统对进程/线程的不同权限限制，还称不上“态”。但是随着操作系统权限限制功能的普及，CPU厂商也与时俱进，开始在硬件层进行权限限制。

操作系统厂商：CPU厂，现在我们都需要权限限制功能，能不能在硬件层做一个设计。软件层做不够安全，速度切换也较慢。

CPU厂商：好的，我在程序状态寄存器设计两位标志位，提供至少四个状态。你操作系统修改这个寄存器的状态位，我CPU就知道此时是什么权限等级了。

现代操作系统一般只使用最高ring 0和最低ring3，它们分别被成为内核态和用户态。

CPU会根据状态位的不同，限制可以执行的指令集，从而从硬件层做出限制。

操作系统通过修改CPU上寄存器的值，来做到切换权限，这种过程就是内核态和用户态的切换。
可见内核态、用户态是针对整个计算机系统来讲，而不是针对某个线程。

问1：我们如何定义高权限？

如果一个线程可以访问并修改计算机系统内的所有内存和寄存器。那么我们就认为这个线程具有最高的权限。

这种最高权限的线程，一般只属于操作系统。

问2：是所有的操作系统都分两种状态吗？

不是，早期的操作系统都不分两种状态，比如MS-DOS。分两种状态，是因为操作系统不得不面对 多用户权限多任务并发的 需要，而创建的。

问3：用户线程和内核线程跟内核态，用户态的关系

没什么关系。线程的切换必须是操作系统的高权限线程去决定（采用中断手段），不可能让普通线程自己去做。所以只要是线程的切换一定是在内核态进行的。

用户线程因为根本不是真正的线程，所以它在用户态的切换，本质只是一种伪切换。

用户线程、内核线程是真伪线程的关系。
内核态、用户态是权限高低的关系。

不建议说“一个线程此时在内核态”，因为内核态是对操作系统某时刻权限的描述。换成“操作系统此时处于内核态执行某个线程”更好。

例1：当某个线程向操作系统申请I/O操作的过程

1. A线程因为权限不够，向操作系统申请I/O操作
2. 操作系统同意，中断A线程。
3. 操作系统修改CPU寄存器状态，使计算机进入内核态。
4. 操作系统调用自身的高权限线程，执行I/O操作。（注意不是调用A线程去做）
5. 修改CPU寄存器状态，使计算机进入用户态。
6. 将数据送给A线程。
7. 调用A线程。

内核态的出现源于多权限功能的设计，随着CPU厂商的硬件层面完善，正式形成。
内核态不仅限制了权限，而且操作系统一般情况下只允许自身的线程在内核态下工作。
计算机的权限进一步集中到操作系统之中，这促进了计算机体系结构的形成。

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