有关Linux内核态以及用户级进程、内核级进程的学习笔记

前一段时间，导师给我布置了一个弄清FloodLight中是否涉及内核态的任务。初学Linux，很多的东西不太了解，所以这篇学习笔记基本上以转述在网上查找到的资料为主。

用户级线程( User Level Threads):

仅存在于用户空间中。对于这种线程的创建、撤销、线程之间的同步和通信等功能，都无需系统调用来实现。对于同一进程的线程之间切换仍然是不需要内核支持的。因此，内核也不知道用户级线程的存在。

内核级线程( Kernel Level Threads):

由操作系统内核创建和撤销，内核空间实现还为每个内核支持线程设置了一个线程控制快，内核是根据该控制快而感知某个线程是否存在，并加以控制。

它们的区别：

（1）内核支持线程是OS内核可感知的，而用户级线程是OS内核不可感知的。

（2）用户级线程的创建、撤消和调度不需要OS内核的支持，是在语言（如Java）这一级处理的；而内核支持线程的创建、撤消和调度都需OS内核提供支持，而且与进程的创建、撤消和调度大体是相同的。

（3）用户级线程执行系统调用指令时将导致其所属进程被中断，而内核支持线程执行系统调用指令时，只导致该线程被中断。

（4）在只有用户级线程的系统内，CPU调度还是以进程为单位，处于运行状态的进程中的多个线程，由用户程序控制线程的轮换运行；在有内核支持线程的系统内，CPU调度则以线程为单位，由OS的线程调度程序负责线程的调度。

（5）用户级线程的程序实体是运行在用户态下的程序，而内核支持线程的程序实体则是可以运行在任何状态下的程序。

优缺点：

内核线程的优点：

当有多个处理机时，一个进程的多个线程可以同时执行。

缺点：

由内核进行调度。

用户进程的优点：

（1） 线程的调度不需要内核直接参与，控制简单。

（2） 可以在不支持线程的操作系统中实现。

（3） 创建和销毁线程、线程切换代价等线程管理的代价比内核线程少得多。

（4） 允许每个进程定制自己的调度算法，线程管理比较灵活。这就是必须自己写管理程序，与内核线程的区别

（5） 线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多。

（6） 同一进程中只能同时有一个线程在运行，如果有一个线程使用了系统调用而阻塞，那么整个进程都会被挂起。另外，页面失效也会产生同样的问题。

缺点：

资源调度按照进程进行，多个处理机下，同一个进程中的线程只能在同一个处理机下分时复用。

用户态与内核态：

x86架构的cpu一共有0～4四个特权级，0级最高，3级最低，硬件上在执行每条指令时都会对指令所具有的特权级做相应的检查。

当程序运行在3级特权级上时，就可以称之为运行在用户态，因为这是最低特权级，是普通的用户进程运行的特权级，大部分用户直接面对的程序都是运行在用户态；反之，当程序运行在0级特权级上时，就可以称之为运行在内核态。

特权级的不同，即权力的不同。运行在用户态的程序不能访问操作系统内核数据结构合程序。当我们在系统中执行一个程序时，大部分时间是运行在用户态下的。在其需要操作系统帮助完成某些它没有权力和能力完成的工作时就会切换到内核态。

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。