（C语言内存十一）用户模式和内核模式教程

首先我们要解释一个概念——进程（Process）。简单来说，一个可执行程序就是一个进程，前面我们使用C语言编译生成的程序，运行后就是一个进程。进程最显著的特点就是拥有独立的地址空间。

严格来说，程序是存储在磁盘上的一个文件，是指令和数据的集合，是一个静态的概念；进程是程序加载到内存运行后一些列的活动，是一个动态的概念。

前面我们在讲解地址空间时，一直说“程序的地址空间”，这其实是不严谨的，应该说“进程的地址空间”。一个进程对应一个地址空间，而一个程序可能会创建多个进程。

内核模式和用户模式

内核空间存放的是操作系统内核代码和数据，是被所有程序共享的，在程序中修改内核空间中的数据不仅会影响操作系统本身的稳定性，还会影响其他程序，这是非常危险的行为，所以操作系统禁止用户程序直接访问内核空间。

要想访问内核空间，必须借助操作系统提供的 API 函数，执行内核提供的代码，让内核自己来访问，这样才能保证内核空间的数据不会被随意修改，才能保证操作系统本身和其他程序的稳定性。

用户程序调用系统 API 函数称为系统调用（System Call）；发生系统调用时会暂停用户程序，转而执行内核代码（内核也是程序），访问内核空间，这称为内核模式（Kernel Mode）。

用户空间保存的是应用程序的代码和数据，是程序私有的，其他程序一般无法访问。当执行应用程序自己的代码时，称为用户模式（User Mode）。

计算机会经常在内核模式和用户模式之间切换：
当运行在用户模式的应用程序需要输入输出、申请内存等比较底层的操作时，就必须调用操作系统提供的 API 函数，从而进入内核模式；
操作完成后，继续执行应用程序的代码，就又回到了用户模式。

总结：用户模式就是执行应用程序代码，访问用户空间；内核模式就是执行内核代码，访问内核空间（当然也有权限访问用户空间）。

为什么要区分两种模式

我们知道，内核最主要的任务是管理硬件，包括显示器、键盘、鼠标、内存、硬盘等，并且内核也提供了接口（也就是函数），供上层程序使用。当程序要进行输入输出、分配内存、响应鼠标等与硬件有关的操作时，必须要使用内核提供的接口。但是用户程序是非常不安全的，内核对用户程序也是充分不信任的，当程序调用内核接口时，内核要做各种校验，以防止出错。

从 Intel 80386 开始，出于安全性和稳定性的考虑，CPU 可以运行在 ring0 ~ ring3 四个不同的权限级别，也对数据提供相应的四个保护级别。不过 Linux 和 Windows 只利用了其中的两个运行级别：
一个是内核模式，对应 ring0 级，操作系统的核心部分和设备驱动都运行在该模式下。
另一个是用户模式，对应 ring3 级，操作系统的用户接口部分（例如 Windows API）以及所有的用户程序都运行在该级别。

为什么内核和用户程序要共用地址空间

既然内核也是一个应用程序，为何不让它拥有独立的4GB地址空间，而是要和用户程序共享、占用有限的内存呢？

让内核拥有完全独立的地址空间，就是让内核处于一个独立的进程中，这样每次进行系统调用都需要切换进程。切换进程的消耗是巨大的，不仅需要寄存器进栈出栈，还会使CPU中的数据缓存失效、MMU中的页表缓存失效，这将导致内存的访问在一段时间内相当低效。

而让内核和用户程序共享地址空间，发生系统调用时进行的是模式切换，模式切换仅仅需要寄存器进栈出栈，不会导致缓存失效；现代CPU也都提供了快速进出内核模式的指令，与进程切换比起来，效率大大提高了。