【网络IO系列】预备知识操作系统之内核程序和用户程序

一、概念

首先我们先来复习一下操作系统的概念和作用

操作系统是用户和硬件之间的一层媒介程序，为上提供编程接口，为下调用资源，管理驱动，以使用硬件。

从以上的表述我们可以看出OS的两点作用，第一个是对下直接管理和使用硬件，第二个则是对上提供管理和使用硬件的接口。而在操作系统中，对下管理和使用硬件的那些程序，我们称之为内核程序，内核程序主要要做的一些事是

内存管理
文件管理（包括IO）
进程调度和进程间通信
设备管理（设备分配、设备传输控制、设备独立性）

而使用内核程序提供的那些接口我们则可以称之为用户程序。例如我们的一些网卡或者其他的驱动，也是属于内核程序对上提供的接口，用户可以通过这些驱动来管理网卡。因此我们可以规范一下内核程序和用户程序的概念，以下为我的个人理解

内核程序：操作系统中，可以访问所有硬件设备，如网卡、内存设备等的一些特殊的高权限的系统程序，

用户程序：只能有限的访问部分内存空间，对硬件设备没有访问权限的低权限的应用程序或系统程序

有人可能会问了，那我平常用一些自己写的应用程序，也可以访问硬盘里的东西，或者开启对摄像头的控制，这是不是说明我也能访问硬件设备呢？当然不是啦！我们平常写的程序，最后实际上可以看作，运行到了一定的阶段，就会托管给内核程序，由内核程序去完成的。

并且在操作系统中，内存空间也被划分成了内核空间和用户空间。内核程序会始终的占据着内存的一些空间，方便处理器去调用内核程序，而用户程序是自始至终接触不到这些内核空间的。

我们运行一个程序的整个流程是这样的，用户程序完成一定的事情，然后交由内核程序去处理，内核程序处理完毕之后，将处理的结果或者说处理完成的数据，再交由用户程序去执行，在整个过程中，用户程序是完全接触不到内核空间的。

二、问题

那么问题来了，操作系统为什么要这么大费周章的划分内核和用户之间的区别呢？我们从实际生活的一个例子出发去探讨这个问题。假设你去一家饭店吃饭，点好菜，由服务员通过餐口，转告给厨房的工作人员，等厨房的工作人员，比如厨师，切菜的人员，把菜做好了，再通过送餐口让服务员送到你的面前。

我们来分析一下这个过程，在这个过程中，你点菜这个操作，就相当于操作系统中的用户程序，而服务员和送餐口，就是厨房和外部连接的通道，服务员和送餐口都可以看作是操作系统中的驱动程序，你通过他们来告诉厨房你需要什么菜。然后厨房做菜的这个过程，就是相当于内核处理用户程序的请求，最后从送餐口送餐的这个过程，就等于是内核处理完之后，将处理完成的数据再转交给用户程序。而做菜的过程，对于顾客来说是完全的一个黑盒，用户不知道里面发生了什么，也无法参与做菜，用户能看到的，只有从餐口端出来的那盘菜。另外像厨房，仓库这些重要的地方，你作为一个顾客肯定是进不去的，这些地方只有饭店的核心人员，比如厨师，老板才能进入，你能活动的区域只能饭店的大厅这些公共的区域。这就相当于操作系统把内存的空间，划分为了用户空间和内存空间，并且强制规定用户不允许进入内存空间。

因此我们大致上可以得出几个概念对应例子中的等式，

内核程序 == 厨师 切菜人员，备菜人员，每种程序有不同的功能，同样的每类职业也有不同的职责，

用户程序 == 顾客 每个顾客想要的菜都不一样，对内核的请求也不一样

内核空间 == 厨房 厨房只允许厨师和备菜的进入，同样的内核空间也只允许内核程序进入

用户空间 == 大厅

到了这里，我们就可以来回答一下上面的问题了 “操作系统为什么要这么大费周章的划分内核和用户之间的区别呢” ，答案是首先操作系统的核心是内核，可以访问几乎底层的所有设备和空间，至关重要，为了保护内核的安全，因此操作系统会强制性的用户程序不允许访问内核空间，内核空间只有内核程序可以访问，用户程序只允许通过内核提供的接口来请求，这样划分对整个操作系统的稳定性和安全性是一种有力的保护。其实这样也很好理解，试想如果是一家饭店的厨房，不管是谁都可以随随便便的进出，毫无限制，那这家厨房的食品安全问题一定也得不到保障，你还会放心的去这家饭店吃饭吗？

我们通过上面举的例子，再来总结操作系统处理数据的整个过程就会显得好理解很多了。当我们需要读取一条数据的时候，首先需要发请求告诉内核，我需要什么数据，等内核准备好数据之后 ， 再从内核空间拷贝到用户空间 注意加粗的部分，这两个阶段至关重要

第一阶段：等待内核准备数据

第二阶段：数据从内核空间拷贝到用户空间

那么为什么我们明明是讲网络IO，却要大费周章的讲这么多操作系统的东西呢，因为本身IO操作就是由操作系统控制的，而我们发送一个IO请求，IO读写也是要经过以上的这些内核程序执行数据准备和拷贝过程的，如果不把这些讲明白了，那么后面我们要提到的，阻塞和读写过程必然将是一团雾水。而以上我们所重点强调的两个阶段，则是决定着各种IO模型的条件。包括后面要讲到的阻塞IO（BIO），非阻塞IO（NIO），IO多路复用，信号驱动IO，全异步IO（AIO），都是和上面两个阶段以及操作系统知识密切相关的。以上的两个过程和操作系统整个数据处理流程，务必要理解和记住，之后的文章，都是基于以上OS的整体流程，可以说是网络IO的基石中的基石

三、总结

操作系统为了安全性和稳定性考虑，因此将执行程序分为内核程序和用户程序，将内存空间分为内核空间和用户空间，内核程序对下直接对硬件进行使用和管理，对上提供接口给用户程序使用
用户程序不允许直接访问内核空间，而是转交给内核程序，由内核程序处理好，再拷贝到用户空间供用户程序使用
不管是对于IO还是其他数据处理的操作而言，有两个重点阶段，分别是，一、等待内核准备数据阶段，二、数据从内核空间拷贝至用户空间阶段，这两个阶段决定了IO的阻塞于否，非常重要