Linux内核态和用户态的区别

当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执 行时，我们就称进程处于内核运行态（或简称为内核态）。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中 执行。

当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。

当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用 户态）。即此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。

当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核 态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。这与处于内核态的进程的状态有些类似。

内核态与用户态是操作系统的两种运行级别,跟intel cpu没有必然的联系，intel cpu提供Ring0-Ring3三种级别的运行模式，Ring0级别最高，Ring3最低。Linux使用了Ring3级别运行用户态，Ring0作为 内核态，没有使用Ring1和Ring2。Ring3状态不能访问Ring0的地址空间，包括代码和数据。

Linux进程的4GB地址空间，3G-4G部 分大家是共享的，是内核态的地址空间，这里存放在整个内核的代码和所有的内核模块，以及内核所维护的数据。

用户运行一个程序，该程序所创建的进程开始是运 行在用户态的，如果要执行文件操作，网络数据发送等操作，必须通过write，send等系统调用，这些系统调用会调用内核中的代码来完成操作，这时，必 须切换到Ring0，然后进入3GB-4GB中的内核地址空间去执行这些代码完成操作，完成后，切换回Ring3，回到用户态。这样，用户态的程序就不能
随意操作内核地址空间，具有一定的安全保护作用。

至于说保护模式，是说通过内存页表操作等机制，保证进程间的地址空间不会互相冲突，一个进程的操作不会修改另一个进程的地址空间中的数据。

在内核态下，CPU可执行任何指令，在用户态下CPU只能执行非特权指令。当CPU处于内核态，可以随意进入用户态；而当CPU处于用户态，只能通过中断 的方式进入内核态。

一般程序一开始都是运行于用户态，当程序需要使用系统资源时，就必须通过调用软中断进入内核态.

内核态和用户态中sscanf的区别

需求：将一个16进制的字符转转换成16进制的数值存储起来。譬如："ABCD1234"转换之后，用一个字符数组存储，其值依次为0xAB,0xCD,0x12,0x34.

实现方法：考虑使用sscanf进行格式输入到buf中，将每两个16进制字符转换成一个char型的数字。

环境： kerne 2.6.18.3, gcc 4.1.2

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CU： Godbach

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Dec 30, 2009

现在用户空间测试一下，代码usscanf.c：

/*

*Test sscanf func in userspace

*/

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#define HEXSTR_LEN 16

int main(void)

{

char hexstr[HEXSTR_LEN+1] = "1234567890ABCDEF";

unsigned char hex[HEXSTR_LEN/2] = {0x00};

int tmp = 0;

int i = 0;

printf("hex str: %s\n", hexstr);

printf("hex val: ");

for(i = 0; i < strlen(hexstr)/2; i++)

{

sscanf(hexstr + 2 * i, "%2x", &tmp);

hex[i] = (unsigned char)tmp;

printf("%.2x ", hex[i]);

tmp = 0;

}

printf("\n");

return 0;

}

测试结果如下：

[root@localhost ksscanf]# ./usscanf

hex str: 1234567890ABCDEF

hex val: 12 34 56 78 90 ab cd ef

这样的结果如预期，正确的将16进制字符串进了转换。

那么在内核态呢，内核态也有封装的sscanf供调用。那么我们同时在内核态下测试，代码ksscanf.c如下：

/*

*Test sscanf func in kernel

*/

#include <linux/version.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/module.h>

#include <linux/string.h>

#define HEXSTR_LEN 16

static int __init init(void)

{

char hexstr[HEXSTR_LEN+1] = "1234567890ABCDEF";

unsigned char hex[HEXSTR_LEN/2] = {0x00};

int tmp = 0;

int i = 0;

printk("sscanf test module init...\n");

printk("hex str: %s\n", hexstr);

printk("hex val: ");

for(i = 0; i < strlen(hexstr)/2; i++)

{

sscanf(hexstr + 2 * i, "%2x", &tmp);

hex[i] = (unsigned char)tmp;

printk("%.2x ", hex[i]);

tmp = 0;

}

printk("\n");

return 0;

}

static void __exit fini(void)

{

printk("sscanf test module exit...\n");

return ;

}

module_init(init);

module_exit(fini);

MODULE_LICENSE("GPL");

MODULE_AUTHOR("Godbach");

MODULE_DESCRIPTION("This is a LKM for testing sscanf.");

测试该模块的代码，执行结果如下：

Dec 30 15:03:49 localhost kernel: sscanf test module init...

Dec 30 15:03:49 localhost kernel: hex str: 1234567890ABCDEF

Dec 30 15:03:49 localhost kernel: hex val: ef ef ef ef ef ef ef ef

发现内核态转换的16进制数值全是ef，很明显是有问题的。经过多次测试并转换过程中打印tmp的数值发现，内核转换时一直用的是hexstr的最后八个字符，即“90ABCDEF”，然后用unsigned char进行截断，所以结果就是ef，hex的8个字节都是ef。

看来用户态和内核态使用sscanf时对已有字符串读取的方向不一样，用户态直接从hexstr的开头取自取字符，而内核态则取字符串最后有效的若干个16进制字符。

因此，有这样应用的时候，一定要注意这样的问题。

如何避免或者按照我们的意愿执行呢？

那就每次将hexstr中取2个字符到一个新的缓存hex_ch[2]中，然后对hex_ch执行sscanf，这样每次仅仅转换两个字符，就没有上述的问题了。

这里不再显示用户态修改后的执行结果，而仅贴出内核态修改后的代码和执行结果：

代码如下：

/*

*Test sscanf func in kernel

*/

#include <linux/version.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/module.h>

#include <linux/string.h>

#define HEXSTR_LEN 16

static int __init init(void)

{

char hexstr[HEXSTR_LEN+1] = "1234567890ABCDEF";

unsigned char hex[HEXSTR_LEN/2] = {0x00};

int tmp = 0;

int i = 0;

unsigned char hex_ch[2] = {0x00};

printk("sscanf test module init...\n");

printk("hex str: %s\n", hexstr);

printk("hex val: ");

for(i = 0; i < strlen(hexstr)/2; i++)

{

memset(hex_ch, 0x00, 2);

memcpy(hex_ch, hexstr + 2 * i, 2);

sscanf(hex_ch, "%2x", &tmp);

hex = (unsigned char)tmp;

printk("%.2x ", hex);

tmp = 0;

}

printk("\n");

return 0;

}

static void __exit fini(void)

{

printk("sscanf test module exit...\n");

return ;

}

module_init(init);

module_exit(fini);

MODULE_LICENSE("GPL");

MODULE_AUTHOR("Godbach");

MODULE_DESCRIPTION("This is a LKM for testing sscanf.");

执行结果如下：

Dec 30 15:30:25 localhost kernel: sscanf test module init...

Dec 30 15:30:25 localhost kernel: hex str: 1234567890ABCDEF

Dec 30 15:30:25 localhost kernel: hex val: 12 34 56 78 90 ab cd ef