前言
作为非科班的小白，对于用户态和内核态很晕，网络的资料人云亦云，不知道真假。
这里细看了《深入理解Linux内核》，整理出来一份概念向的文章。可能有遗漏，但保证知识的正确性。
内核
什么是内核
内核是操作系统的核心部分，负责管理计算机硬件和软件资源，并提供用户和其他应用程序与计算机硬件的接口。内核控制着操作系统中的所有进程和线程，以及文件系统、网络连接和设备驱动程序等系统资源。
什么是用户态、内核态
CPU有两种执行状态，内核态和用户态。当一个程序在用户态下执行时，它不能直接访问内核数据结构或内核的程序。当一个程序在内核态下执行时，这些限制不再有效。在单处理器系统，任何时候只有一个进程在运行，它要么处于用户态，要么处于内核态。如果进程运行在内核态，处理器就执行一些内核例程。需要内核服务的进程使用系统调用来进入内核态。每个系统调用都设置了一组参数来识别进程的要求，然后执行与硬件相关的CPU指令完成从用户态到内核态的转换。
什么时候激活内核态
- 进行系统调用
- 正在执行进程的CPU发出一个异常信号。内核代表产生异常的进程处理异常。
- 外围设备向CPU发出中断信号以通知一个时间的发生。每个中断信号都是由内核中的中断处理程序来处理的。
- 内核线程被执行时。因为内核线程运行在内核态，所以尽管响应的程序被包装成一个进程，但必须认为它是内核的一部分。
内核的静态内存和动态内存
静态内存指在操作系统启动时就被分配好的内存空间，用于存储内核代码、数据和一些固定的数据结构。这些静态内存空间通常在编译操作系统内核时就确定好的，大小和位置都是固定的，不会随着系统变化而变化。
动态内存指在操作系统运行时动态分配的内存空间，用于存储运行时动态产生的数据结构和变量。在操作系统运行时，内核需要动态的分配和管理内存空间来满足进程的需求，比如进程堆栈、动态分配的内存块等，这些都需要动态内存支持。
进程
管理进程，内核需要知道进程的所有信息。进程描述符包含了一个进程相关的所有信息，比如优先级，地址空间，允许访问哪些文件等等。
先分清进程和线程
- 什么是进程：进程是系统中正在运行的一个程序，可以看成程序执行的一个实例。进程是资源分配的基本单位。
- 什么是线程：线程是进程的一个实体，是进程的一条执行路径。一个进程可以有多个线程，线程共享进程资源。线程是CPU调度的基本单位。
上述所说的是用户进程和用户线程。内核线程是一种特殊线程，由操作系统内核创建和管理的，不属于任何用户进程。内核线程常用于操作系统的核心功能，而且所使用的内存空间也是独立的。
进程状态
进程描述符中的状态域描述了进程当前所处的状态。是一组标志。
- 可运行状态
- 可中断的等待状态：进程被挂起，直到被唤醒
- 不可中断的等待状态：和前一个状态类似，但是信号到达并不会唤醒
- 暂停状态：进程的执行被暂停，比如debug的时候，可以暂停程序
- 僵死状态：进程的执行被终止，但是没有wait()
进程标识符PID
用来标识进程，使用32位的无符号整数，为了兼容16位，最大pid位32767
任务数组
内核在自己的地址空间保存一个全局静态数组task，其大小位NR_TASKS，数组的元素就是进程描述符的指针，空指针标识此位置没有进程描述符
进程描述符的存放
task数组只是保存了进程描述符的指针，而进程描述符存在内核的动态内存中（每创建一个进程，就会在内核的动态内存中保存一个进程描述符。操作系统在启动时，内核会预留一部分内存空间用来管理进程描述符）
进程链表
为了对给定类型（比如可运行状态）的进程进行有效的搜索，内核建立了几个进程链表。每个进程链表由指向进程描述符的指针组成。进程描述符的数据结构中包含了两个链表指针，指向前后的进程描述符。
进程间的亲属关系
进程0和进程1是由内核创建的，进程0所有进程的祖先，启动操作系统时第一个运行的进程。进程1是init进程，他是系统的初始化进程，是所有用户级进程的父进程。init进程会在系统启动时被内核创建，然后它会启动其他所有进程，init进程负责监控系统中所有进程的状态，并在进程异常终止时进行相应的处理。进程描述符也包含一些域：祖先，父进程，子进程，兄进程，弟进程
等待队列
运行队列链表把可运行状态的所有进程组织在一起，不过其他状态的进程分组时，不同的状态要求不同的处理。比如终止和僵死状态进程不链接在专门的链表，因为可以通过父进程直接获取；中断和不可中断的进程会分成很多类，每一类对应一个特定的事件。这种情况下，进程状态提供的信息满足不了快速检索进程，因此引入了另外的进程链表，叫做等待队列。
进程切换（自己的整理）
也叫任务切换，上下文切换。进程切换就是切换进程控制块（PCB），进程控制块和进程描述符都是用来描述进程的数据结构，有些操作系统上两者的就是一个概念。进程控制块包含的内容：
- 进程描述信息：进程标识符，用户标识符
- 进程控制和管理信息：进程当前状态，进程优先级
- 资源分配清单：内存地址空间，打开文件的列表，所使用的I/O信息
- CPU相关信息：寄存器的值。
内核线程
系统把一些重要的任务委托给周期性执行的进程，这些任务包括刷新磁盘高速缓存，交换页面，维护网络连接等等。以严格线性的方式执行这些任务效率不高，如果把他们放在后台调度，不管是对他们的函数还是对终端的用户进程都能得到较好的响应。因为一些系统进程只在内核态运行，现代操作系统把他们的函数委托给内核线程，内核线程不受不必要的用户上下文的拖累。
内核线程在以下几方面不同于普通进程
- 每个内核线程执行一个单独指定的内核函数，而普通进程只能通过系统调用执行内核函数
- 内核线程之运行在内核态，而普通进程既可以运行在内核态，也可以运行在用户态
- 内核线程只能使用特定的线性地址空间。而普通进程可以使用4GB的线性地址空间。
用户线程（自己的整理）
用户线程是由用户进程创建和管理的线程，在用户态下运行的，只能访问用户进程的地址和资源。用户进程通过系统调用来创建和撤销，操作系统对用户线程的调度和管理是通过用户进程的代码实现的。
上面是对用户线程的定义，用户线程和内核线程是有对应关系，如1:1，n:1等。
java采用一个用户线程映射到一个内核线程，创建用户线程的时候会创建一个内核线程。java线程的调度和管理由JVM的线程调度器来实现，线程调度器会按照线程的优先级、状态、以及CPU时间片等因素来调度线程的执行。线程之间的切换和同步由操作系统内核（操作系统的线程调度器）负责，jvm只是在内核线程之上提供了一层抽象，将其封装为java线程对象。(HotSpot JVM的实现，其他另说)
Linux的线程模型也是1:1模型，由内核来实现调度。
