用户态 {#用户态}

当一个程序在操作系统（例如Windows）上启动时，它会在用户模式下启动程序。当一个用户模式程序请求运行时，Windows会为其创建一个进程和虚拟地址空间（该进程的地址空间）。用户模式程序的权限低于用户模式应用程序，不能直接访问系统资源。例如，如果一个用户模式下的应用程序想要访问系统资源，它必须首先通过使用系统调用（syscall）来访问操作系统内核。

用户态是普通应用程序运行的环境。在这个模式下，程序只能访问受限的系统资源，不能直接与硬件交互，也不能执行特权指令。用户态的主要特点包括：

受限访问：用户态程序只能访问用户空间的内存，不能直接访问内核空间的数据结构和代码。
系统调用：当用户态程序需要访问硬件或执行特权操作时，必须通过系统调用（System Call）请求内核的服务。系统调用是一种受控的接口，确保用户态程序不能直接操作内核。
隔离性：用户态程序之间是相互隔离的，一个程序的崩溃不会直接影响到其他程序或整个系统的稳定性。
安全性：通过限制用户态程序的权限，可以防止恶意程序对系统进行破坏。

用户态的这种设计使得操作系统能够在提供丰富功能的同时，保持高度的安全性和稳定性。

内核态 {#内核态}

内核是所有其他操作系统组件依赖的核心程序，用于访问硬件组件并调度计算机系统上应何时运行哪些进程，同时还管理应用软件和硬件之间的交互。因此，它是最有特权的程序，与其他程序不同，它可以直接与硬件交互。当在用户模式下运行的程序需要硬件访问（例如摄像头）时，首先必须通过使用系统调用来通过内核。为了执行这些请求，CPU在执行时会从用户模式切换到内核模式。最终完成进程的执行后，CPU会再次切换回用户模式。

内核态是操作系统内核运行的环境。内核态具有最高的权限，可以直接访问所有硬件资源和内存空间。内核态的主要特点包括：

完全访问权限：在内核态下，操作系统可以访问所有的内存地址和硬件设备。这使得内核可以执行各种底层操作，如调度、内存管理和硬件控制。
特权指令：内核态可以执行特权指令，这些指令通常涉及到硬件的直接操作和系统状态的修改。
高风险：由于内核态具有最高权限，任何错误或漏洞都可能导致整个系统的崩溃或被攻击。因此，内核代码必须经过严格的验证和测试。
关键功能：内核态负责实现操作系统的核心功能，如进程管理、内存管理、文件系统、网络协议栈等。

用户态与内核态的切换 {#用户态与内核态的切换}

用户态与内核态之间的切换是通过系统调用和中断机制实现的。当用户态程序需要执行特权操作时，会发起一个系统调用，请求内核的服务。系统调用的执行过程如下：

系统调用请求：用户态程序通过库函数（如libc）发起系统调用请求。
陷入内核态：系统调用请求通过软中断机制将控制权转交给内核，CPU从用户态切换到内核态。
执行内核代码：内核根据系统调用号找到对应的服务例程，执行相应的操作。
返回用户态：内核完成操作后，将返回值传递给用户态程序，并切换回用户态。

这种切换过程是受控且安全的，确保用户态程序不能直接影响内核的稳定性。

在实际应用中，用户态和内核态的划分对系统的性能和安全性有重大影响。以下是一些常见的应用场景：

系统调用：如文件操作（open，read，write），网络操作（socket，connect）等，都是通过系统调用实现的。这些操作需要访问硬件资源，因此必须在内核态执行。
设备驱动：设备驱动程序通常运行在内核态，因为它们需要直接与硬件设备交互。通过内核态的设备驱动，操作系统可以提供统一的接口供用户态程序使用。
内存管理：内存分配和页面调度等操作需要涉及到物理内存的管理，这些操作在内核态完成。用户态程序通过系统调用请求内存分配，但实际的分配和管理由内核负责。
进程调度：内核态负责进程的创建、销毁和调度。用户态程序通过系统调用请求进程操作，但调度算法和上下文切换在内核态执行。

内核态和用户态对比 {#内核态和用户态对比}

内核模式和用户模式之间的区别：

| 标准 | 内核模式 | 用户模式 | |--------|---------------------------------------------------|-------------------------------------------------------------| | 资源访问 | 在内核模式下，程序可以直接且无限制地访问系统资源。 | 在用户模式下，应用程序不能直接访问系统资源。为了访问资源，必须进行系统调用。 | | 中断 | 在内核模式下，如果发生中断，整个操作系统可能会崩溃。 | 在用户模式下，如果发生中断，只有单个进程会失败。 | | 模式 | 内核模式也被称为主模式、特权模式或系统模式。 | 用户模式也被称为非特权模式、受限模式或从模式。 | | 虚拟地址空间 | 在内核模式下，所有进程共享一个虚拟地址空间。 | 在用户模式下，所有进程都有独立的虚拟地址空间。 | | 权限级别 | 在内核模式下，应用程序具有比用户模式更多的权限。 | 在用户模式下，应用程序的权限较少。 | | 限制 | 由于内核模式可以访问用户程序和内核程序，因此没有限制。 | 用户模式需要访问内核程序，因为它不能直接访问。 | | 模式位值 | 内核模式的模式位值为0。 | 用户模式的模式位值为1。 | | 内存引用 | 它能够引用所有内存区域。 | 它只能引用为用户模式分配的内存。 | | 系统崩溃 | 内核模式下的系统崩溃非常严重，会使问题更复杂。 | 在用户模式下，系统崩溃可以通过简单地恢复会话来解决。 | | 访问 | 只有基本功能被允许在此模式下操作。 | 用户程序可以在给定系统中访问并在此模式下执行。 | | 功能 | 内核模式可以引用系统中的任何内存块，并且可以直接指示CPU执行指令，使其成为非常强大和重要的模式。 | 用户模式是标准和典型的查看模式，这意味着信息不能自行执行或引用任何内存块；它需要应用程序接口（API）来实现这些功能。 |