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内核态与用户态 ​

想象一下，如果任何一个程序都能直接动用电脑最核心的资源，那系统很快就会乱套，甚至崩溃。为了避免这种情况，操作系统设计了两种不同的运行模式：内核态 (Kernel Mode) 和 用户态 (User Mode)。

CPU 特权级别 ​

这种模式划分的背后，是 CPU 硬件提供的特权级别支持。拿我们常用的 x86 架构 CPU 来说，它定义了 0 到 3 四个特权级别（常说的 Ring 0 到 Ring 3）。数字越小，权限越高。不过，主流的操作系统通常只用到两个级别：

  • Ring 0 (内核态)：最高特权级别。操作系统的核心代码和一些驱动程序就运行在这个级别，它们能直接操作硬件，拥有系统的完全控制权。
  • Ring 3 (用户态)：最低特权级别，用户应用程序运行在这个级别。它们不能直接执行一些敏感操作，比如直接访问硬件。

CPU 内部有一个特殊的寄存器（比如 x86 架构的 CS 段寄存器中的 CPL 位）会记录当前正在执行的代码属于哪个特权级别。

CPU 的指令集里，有一些指令被划分为特权指令，比如让处理器停止运行的 HLT 指令，或者关闭中断的 CLI 指令。这些指令只能在内核态 (Ring 0) 执行。如果一个用户态的程序斗胆尝试执行这些特权指令，CPU 硬件会立刻发现这个越权行为，并产生一个异常，强制程序的流程跳转到操作系统内核预设好的异常处理代码那里去。

模式切换 ​

程序运行的时候，并不是一直固定在某一个模式下，它会在用户态和内核态之间切换。从用户态进入内核态，主要有下面三种途径：

  1. 系统调用 (System Call)：这是最常见也是最正规的方式。当用户程序需要操作系统帮忙做一些它自己权限不够的事情时（比如读取文件、创建网络连接），就会发起系统调用，请求内核提供服务。
  2. 中断 (Interrupt)：当外部硬件设备有事情需要 CPU 处理时（比如键盘被打了一下、鼠标点了一下，或者网卡收到了数据包），会发出中断信号。CPU 会暂停当前正在执行的用户程序，切换到内核态去处理这个中断。
  3. 异常 (Exception)：当用户程序在运行过程中自己出了问题（比如除以零、访问了非法内存地址），或者遇到某些需要内核介入处理的情况（比如缺页），CPU 也会产生一个异常，并切换到内核态进行处理。

当内核处理完这些系统调用、中断或异常事件后，它会执行一条特殊的指令（比如 x86 架构中的 iret、SYSRET 或 SYSEXIT 命令）。这条指令会把 CPU 的特权级别从内核态切换回用户态，并让程序从之前被打断的地方继续执行下去。

中断与异常 ​

中断 (Interrupt) 信号通常来自 CPU 外部，是硬件设备用来通知 CPU有事发生的一种方式。比如键盘按键、鼠标点击、定时器到点、网卡收到数据包等等，这些都会产生中断，请求 CPU 关注和处理。

因为电脑里外设很多，都可能产生中断，所以系统里通常会有中断控制器（比如经典的 8259A PIC 或者更现代的 APIC）。中断控制器负责接收各个设备的中断请求，排个优先级，然后统一向 CPU 发送中断信号。

操作系统在启动的时候，会在内存里建立一个叫做中断描述符表 (IDT)的表格。表里的每一项可以看作是一个中断向量或门描述符，指向一段特定的内核代码，这段代码就是中断服务例程 (Interrupt Service Routine, ISR)，专门用来处理对应类型的中断。

异常 (Exception) 则不一样，它源于 CPU 内部，是 CPU 在执行当前指令时检测到错误或者发生了某些特殊情况。因为异常是指令执行的直接结果，所以它是同步发生的（即在指令执行过程中发生）。

常见的异常有这么几种：

  • 故障 (Fault)：通常是一些可以被纠正的错误。最典型的例子就是缺页故障 (Page Fault)。
  • 陷阱 (Trap)：通常是程序有意执行某条指令引发的，目的是主动切换到内核态。比如执行系统调用的特定指令，或者调试器设置的断点指令。
  • 终止 (Abort)：由非常严重的、通常无法恢复的硬件错误或系统内部错误引起的。

系统调用 ​

系统调用是应用程序请求操作系统提供服务的标准接口。当一个用户程序发起系统调用时，大致会经历以下步骤：

  1. 准备参数与调用号：用户程序（通常是通过 C 库函数这样的封装层来实现）首先会把表示具体要调用哪个服务的系统调用号（比如 SYS_open/SYS_read）放进一个事先约定好的 CPU 寄存器里（比如 x86 架构的 eax 寄存器）。同时，也会把调用这个服务所需要的参数（比如文件名、读取长度等）放到其他约定的寄存器或者内存栈中。
  2. 触发陷阱指令：准备好之后，用户程序会执行一条特殊的陷阱指令。在传统的 x86 系统上，Linux 常用 INT 0x80 指令，Windows 常用 INT 0x2E 指令。在现代 CPU 上，则有更高效的专用指令，比如 AMD 的 SYSCALL 和 Intel 的 SYSENTER。
  3. 内核处理：CPU 捕获到这条陷阱指令后，就会根据这条陷阱指令在中断描述符表 (IDT) 中预设的入口点，跳转到内核代码中相应的处理程序。内核会根据之前传递过来的系统调用号，去执行对应的内核服务例程。
  4. 返回结果：内核的服务例程执行完毕后，会把执行的结果（比如成功读取的字节数，或者一个错误代码）也放到一个约定的寄存器里（比如还是 eax 寄存器）。
  5. 返回用户态：最后，内核执行一条特殊的返回指令（比如 IRET、SYSRET 或 SYSEXIT），从刚才那条陷阱指令的下一条指令开始继续执行。

其实并不存在一条可以直接进入内核态的命令。模式的切换是伴随着特定指令（如 INT、SYSCALL）的执行而发生的。

在系统初始化阶段，操作系统会设置好全局描述符表 (GDT)，GDT 中定义了内存中不同代码段和数据段的属性，其中就包括了它们的特权级别。内核代码所在的段，其特权级会被设置为 Ring 0。

当我们用户程序执行像 INT 这样的陷阱指令时，CPU 会查找 IDT，其条目会指明接下来应该执行的入口，同时指定目标代码段的选择子。CPU 通过这个选择子在 GDT 中找到对应的段描述符，发现其特权级别是 Ring 0，于是 CPU 在跳转到这段内核代码执行的同时，就会自动将当前的特权级别提升到 Ring 0，这样就完成了从用户态到内核态的切换。