LINUX学习：用户模式和内核模式

好学的小陶
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个人Github地址 github.com/AmbitionTn/… ， 希望下面的文章对大家有所帮助，要是觉得感兴趣可以关注一下，会持续更新，持续学习中

读书记录：LINUX是怎样工作的

计算机系统硬件结构

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在计算机系统运行时，在硬件设备上会重复以下步骤

  • 通过输入输出设备或网络适配器，向计算机发送请求。
  • 读取内存中命令，并在CPU上执行，把结果写入负责保存数据的内存区域中
  • 将内存中的数据写入HDD，SDD等
  • 重复步骤1

进程是如何与设备交互的

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  • CPU存在内核模式与用户模式两种模式，LINUX为了减少开发人员对于设备的调用都要写重复的调用的逻辑，提供了设备驱动器，所有的设备的交互都是通过设备驱动器做的，同时为了避免进程直接调用设备，对于设备的调用必须是内核模式做的。

  • 用户模式与内核模式交互是通过系统调用完成的。

进程与OS的关系

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一般来说，用用户模式下运行的进程通过系统调用向内核发送相应的请求，其中存在进程独有的代码、三方库，也存在OS提供的库。

系统调用

进程在执行创建进程、操控硬件等依赖于内核处理时，必须通过系统调用向内核发送请求。系统调用的种类如下

  • 进程控制（创建和删除）
  • 内存管理（分配和释放）
  • 进程间通信
  • 网络管理
  • 文件系统操作
  • 文件操作（访问设备）

CPU的模式切换

image.png 系统调用通过执行特殊的CPU命令来发起。通常进程运行在用户模式下，当通过系统调用向内核发送请求时，CPU会发生名为中断的事件。这时，CPU将从用户模式切换到内核模式，然后根据请求内容进行相应的处理。当内核完成系统调用户，会重新回到用户模式，继续运行进程。

内核在开始的处理时验证来自进程的请求是否合理（例如请求内存量是否大于系统所需的内存量）。如果请求不合理，系统调用将会执行失败。

并不存在用户进程绕过系统调用而直接切换CPU运行模式的方法

实验

strace命令

下面使用Go程序编写Hello world 来看一下系统调用的场景

package main

import "fmt"

func main() {
    fmt.Println("Hello world")
}

使用strace查看系统调用情况，strace -o 输出到文件

strace -o hello.log ./hello

image.png

可以关注一下箭头这里，发生系统调用，调用Write打印到屏幕上。

sar命令

sar命令用于获取进程分别在用户模式与内核模式下运行的时间比例。

sar -P ALL 1 3

image.png

  • 可以写一个循环程序，看一下CPU用户模式和内核模式的时间占比，以及写一个循环系统调用，看下占比情况。

总结

通过理解计算机结构以及进程是如何与内核交互的。当在进程中我们写一个循环、写一个系统调用、或是一个打印字符串的语句，到底经历了哪些步骤才完成交互的。通过这个过程的理解，对于后续的程序开发能够更加清楚运行情况，做到更多的思考和优化。

下面是这篇文章的一些和核心点：

  • 进程与内核交互必须通过系统调用发送中断信号才可以，不能够直接切换CPU模式
  • 对于设备操作、文件操作、进程控制、网络管理等都是内核模式处理的。
  • 用户模式不能直接操作内核
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