什么是用户态和内核态？
重要内容
用户态和 内核态是操作系统中两种不同的运行模式，它们分别代表着程序执行时的不同权限级别
- 用户态（User Mode）
- 权限受限的运行模式，程序无法直接访问硬件或执行特权指令（如修改内存保护位、操作I/O设备）
- 应用程序和用户级库函数在此模式下运行，通过系统调用（System Call）请求内核服务
- 内存访问仅限于进程的虚拟地址空间（如Linux中用户空间占3GB，内核空间占1GB）
- 内核态（Kernel Mode）
- 特权级别最高的运行模式，操作系统内核和驱动程序在此执行，可直接访问硬件和所有系统资源
- 负责管理进程调度、内存分配、设备驱动等核心功能
- 内存访问无限制（如Linux内核可操作全部4GB地址空间）
扩展知识
为什么需要用户态和内核态？
- 安全性：通过将应用程序与操作系统内核分隔开来，可以防止恶意应用程序破坏系统。用户态程序不能直接访问或修改内核态的资源，确保了操作系统的核心代码和数据的安全
- 稳定性：如果程序在用户态崩溃，它只会影响到该程序本身，不会影响到操作系统或其他程序。而如果程序在内核态崩溃，可能会导致整个系统崩溃
- 资源管理：内核态程序可以对系统资源进行严格管理，确保资源得到合理分配和使用，防止不良程序滥用资源
用户态与内核态的主要区别
| 对比维度 | 用户态 | 内核态 |
|---|---|---|
| 权限级别 | 最低特权级（如x86架构的Ring 3） | 最高特权级（如x86架构的Ring 0） |
| 执行程序 | 应用程序、用户级库函数（如文本编辑器、浏览器） | 操作系统内核、驱动程序、中断处理程序 |
| 硬件访问 | 不能直接访问硬件，需通过系统调用 | 可直接操作硬件设备 |
| 内存隔离 | 仅能访问进程的虚拟地址空间（如Linux用户空间3GB） | 可访问所有内存（包括内核空间和其他进程的内存） |
| 中断抢占 | 可被抢占（如时间片耗尽） | 不可被抢占（除非显式让出CPU） |
| 安全性 | 高（限制程序行为，防止系统崩溃） | 低（直接操作硬件，风险较高） |
| 典型场景 | 文件读写（需系统调用）、数学计算 | 进程调度、内存管理、硬件中断处理 |
操作系统的体系结构
在不同操作系统中，用户态与内核态的划分范围不同
- 大内核/单内核/宏内核（ Linux、Unix（传统版本）、Windows NT 系列（早期版本））
- 微内核（Minix、QNX、L4、HURD）
大内核的优缺点
- ✅不需要频繁切换核心态和用户态，性能高
- ❌内核代码庞大，结构混乱，难以维护
微内核的优缺点
- ✅内核功能少，结构清晰，方便维护
- ❌需要频繁切换核心态和用户态，性能低
