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深入理解Linux核心態(tài)與用戶態(tài)的不同
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Linux操作系統(tǒng)是一種開源的操作系統(tǒng)，具有高度的穩(wěn)定性、安全性、可定制性等優(yōu)點(diǎn)。在Linux中，核心態(tài)和用戶態(tài)是兩種不同的運(yùn)行模式，對(duì)于Linux的學(xué)習(xí)和使用非常重要。本文將深入探討Linux核心態(tài)與用戶態(tài)的區(qū)別，以及它們的特點(diǎn)和作用。
一、概念解釋
在Linux操作系統(tǒng)中，核心態(tài)和用戶態(tài)是進(jìn)程運(yùn)行時(shí)的兩種不同的狀態(tài)。核心態(tài)是指進(jìn)程在操作系統(tǒng)內(nèi)核的管理下運(yùn)行，可以直接訪問系統(tǒng)的硬件資源，例如磁盤、網(wǎng)卡、內(nèi)存等，擁有更高的操作權(quán)限。用戶態(tài)是指進(jìn)程在操作系統(tǒng)外核心態(tài)的環(huán)境下運(yùn)行，只能訪問一部分受保護(hù)的資源，且具有較低的操作權(quán)限。在Linux中，大多數(shù)進(jìn)程都處于用戶態(tài)，只有少數(shù)的關(guān)鍵進(jìn)程才運(yùn)行在核心態(tài)下。
二、特點(diǎn)對(duì)比
1.內(nèi)核態(tài)：具有更高的權(quán)限，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，例如CPU、內(nèi)存、磁盤等?？梢灾苯訉?duì)硬件資源進(jìn)行操作和管理，包括創(chuàng)建、讀取和修改等。同時(shí)，內(nèi)核態(tài)負(fù)責(zé)調(diào)度進(jìn)程和管理系統(tǒng)資源，是操作系統(tǒng)的核心部分。
2.用戶態(tài)：可以訪問操作系統(tǒng)分配給它的資源，以及其他共享的資源，例如打印機(jī)、文件等。用戶態(tài)下的進(jìn)程不能直接訪問硬件資源，需要通過系統(tǒng)調(diào)用來訪問內(nèi)核態(tài)提供的服務(wù)，例如打開文件、讀寫文件等。此外，用戶態(tài)負(fù)責(zé)處理用戶的輸入輸出請(qǐng)求，以及完成各種應(yīng)用程序所需的任務(wù)。
3.安全性：核心態(tài)具有更高的權(quán)限，可以直接操作系統(tǒng)資源，因此也存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，內(nèi)核態(tài)需要嚴(yán)格的安全策略來保護(hù)系統(tǒng)的安全。
4.性能：由于內(nèi)核態(tài)具有更高的權(quán)限，因此它的性能也非常高。而用戶態(tài)則需要通過系統(tǒng)調(diào)用和內(nèi)核態(tài)通信，因此它的性能比較低。但是，用戶態(tài)能夠協(xié)同處理器并發(fā)執(zhí)行，提高系統(tǒng)的整體性能。
三、應(yīng)用場(chǎng)景
在Linux中，大多數(shù)進(jìn)程運(yùn)行在用戶態(tài)下，只有少數(shù)的關(guān)鍵進(jìn)程才需要在核心態(tài)下部署。例如，網(wǎng)絡(luò)通信過程、文件讀寫過程等都是在用戶態(tài)下進(jìn)行的。而像內(nèi)核模塊、驅(qū)動(dòng)程序等則需要在核心態(tài)下運(yùn)行。此外，一些性能要求較高的應(yīng)用程序，例如媒體播放器、圖像處理程序等，也需要在核心態(tài)下運(yùn)行以獲得更好的執(zhí)行效果。
四、
Linux操作系統(tǒng)中的核心態(tài)和用戶態(tài)是兩種不同的狀態(tài)，具有不同的特點(diǎn)和作用。核心態(tài)具有更高的權(quán)限，可以直接訪問系統(tǒng)資源，同時(shí)具有高性能和高安全性等優(yōu)點(diǎn)。用戶態(tài)則需要通過系統(tǒng)調(diào)用和內(nèi)核態(tài)通信來訪問系統(tǒng)資源，相對(duì)于核心態(tài)而言性能較低，但具有較高的安全性和應(yīng)用性。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的需求和要求，合理選擇核心態(tài)和用戶態(tài)的運(yùn)行模式，以提高系統(tǒng)的效率和安全性。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- 如何在Linux內(nèi)核里增加一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用？
如何在Linux內(nèi)核里增加一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用？
一、Linux0.11下添加系統(tǒng)調(diào)用：\x0d\x0a\x0d\x0a我在bochs2.2.1中對(duì)linux0.11內(nèi)核添加了一個(gè)新的系統(tǒng)調(diào)用，步驟如下： \x0d\x0a1./usr/src/linux/include/unistd.h中添加：#define __NR_mytest 87 \x0d\x0a然后在下面聲明函數(shù)原型：int mytest(); \x0d\x0a2./usr/src/linux/include/linux/sys.h中添加:extern int sys_mytest(); \x0d\x0a然后在sys_call_table中最后加上sys_mytest； \x0d\x0a3.在/usr/src/linux/kernel/sys.c中添加函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下： \x0d\x0aint sys_mytest(){ \x0d\x0aprintk(“This is a test!”); \x0d\x0areturn 123; \x0d\x0a} \x0d\x0a4.在/usr/src/linux/kernel/system_call.s中對(duì)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)加1（原來是86改成了87） \x0d\x0a5.然后到/usr/src/linux目錄下編譯內(nèi)核make clean; make Image \x0d\x0a6. cp /usr/src/linux/include/unistd.h /usr/include/unistd.h \x0d\x0a7. reset bochs \x0d\x0a8. 在/usr/root中生成test.c文件如下： \x0d\x0a#define __LIBRARY__ \x0d\x0a#include
\x0d\x0a_syscall0(int,mytest) \x0d\x0aint main(){ \x0d\x0aint a; \x0d\x0aa = mytest(); \x0d\x0aprintf(“%d”, a); \x0d\x0areturn 0; \x0d\x0a} \x0d\x0a9.然后gcc test.c編譯之后運(yùn)行a.out，前面所有步驟都通過，但是每次調(diào)用都是返回-1，然后我查過errno為1（表示操作不允許），就不知道為什么了？ \x0d\x0a系統(tǒng)知道的高手們能夠告知一下，不勝感激！這個(gè)問題困擾我很久了！ \x0d\x0a\x0d\x0a二、新Linux內(nèi)核添加系統(tǒng)調(diào)用\x0d\x0a\x0d\x0a如何在Linux系統(tǒng)中添加新的系統(tǒng)調(diào)用\x0d\x0a系統(tǒng)調(diào)用是應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的功能接口。其主要目的是使得用戶可以使用操作系統(tǒng)提供的有關(guān)設(shè)備管理、輸入/輸入系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和進(jìn)程控制、通信以及存儲(chǔ)管理等方面的功能，而不必了解系統(tǒng)程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和有關(guān)硬件細(xì)節(jié)，從而起到減輕用戶負(fù)擔(dān)和保護(hù)系統(tǒng)以及提高資源利用率的作用。\x0d\x0a\x0d\x0a Linux操作系統(tǒng)作為自由軟件的代表，它優(yōu)良的性能使得它的應(yīng)用日益廣泛，不僅得到專業(yè)人士的肯定，而且商業(yè)化的應(yīng)用也是如火如荼。在Linux中，大部分的系統(tǒng)調(diào)用包含在Linux的libc庫(kù)中，通過標(biāo)準(zhǔn)的C函數(shù)調(diào)用方法可以調(diào)用這些系統(tǒng)調(diào)用。那么，對(duì)Linux的發(fā)燒友來說，如何在Linux中增加新的系統(tǒng)調(diào)用呢？ \x0d\x0a 1 Linux系統(tǒng)調(diào)用機(jī)制\x0d\x0a\x0d\x0a 在Linux系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)用是作為一種異常類型實(shí)現(xiàn)的。它將執(zhí)行相應(yīng)的機(jī)器代碼指令來產(chǎn)生異常信號(hào)。產(chǎn)生中斷或異常的重要效果是系統(tǒng)自動(dòng)將用戶態(tài)切換為核心態(tài)來對(duì)它進(jìn)行處理。這就是說，執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用異常指令時(shí)，自動(dòng)地將系統(tǒng)切換為核心態(tài)，并安排異常處理程序的執(zhí)行。Linux用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用異常的實(shí)際指令是：\x0d\x0a\x0d\x0a 拆慶春Int $0x80\x0d\x0a\x0d\x0a 這一指令使用中斷/異常向量號(hào)128（即16進(jìn)制的80）將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給內(nèi)核。為達(dá)到在使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)不必用機(jī)器指令編程，在標(biāo)準(zhǔn)的C語言庫(kù)中為每一系統(tǒng)調(diào)用提供了一段短的子程序，完成機(jī)器代碼的編程工作。事實(shí)上，機(jī)器代碼段非常簡(jiǎn)短。它所要做的工作只是將送給系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)加載到CPU寄存器中，接著執(zhí)行int $0x80指令。然后運(yùn)差棗行系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用的返回值將送入CPU的一個(gè)寄存器中，標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)子旅耐程序取得這一返回值，并將它送回用戶程序。\x0d\x0a\x0d\x0a 為使系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行成為一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，Linux提供了一組預(yù)處理宏指令。它們可以用在程序中。這些宏指令取一定的參數(shù)，然后擴(kuò)展為調(diào)用指定的系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)。\x0d\x0a\x0d\x0a 這些宏指令具有類似下面的名稱格式：\x0d\x0a\x0d\x0a _syscallN（parameters）\x0d\x0a\x0d\x0a 其中N是系統(tǒng)調(diào)用所需的參數(shù)數(shù)目，而parameters則用一組參數(shù)代替。這些參數(shù)使宏指令完成適合于特定的系統(tǒng)調(diào)用的擴(kuò)展。例如，為了建立調(diào)用setuid（）系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)，應(yīng)該使用：\x0d\x0a\x0d\x0a _syscall1（ int， setuid， uid_t， uid ）\x0d\x0a\x0d\x0a syscallN（ ）宏指令的第1個(gè)參數(shù)int說明產(chǎn)生的函數(shù)的返回值的類型是整型，第2個(gè)參數(shù)setuid說明產(chǎn)生的函數(shù)的名稱。后面是系統(tǒng)調(diào)用所需要的每個(gè)參數(shù)。這一宏指令后面還有兩個(gè)參數(shù)uid_t和uid分別用來指定參數(shù)的類型和名稱。\x0d\x0a\x0d\x0a 另外，用作系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)的數(shù)據(jù)類型有一個(gè)限制，它們的容量不能超過四個(gè)字節(jié)。這是因?yàn)閳?zhí)行int $0x80指令進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，所有的參數(shù)值都存在32位的CPU寄存器中。使用CPU寄存器傳遞參數(shù)帶來的另一個(gè)限制是可以傳送給系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)的數(shù)目。這個(gè)限制是最多可以傳遞5個(gè)參數(shù)。所以Linux一共定義了6個(gè)不同的_syscallN（）宏指令，從_syscall0（）、_syscall1（）直到_syscall5（）。\x0d\x0a\x0d\x0a 一旦_syscallN（）宏指令用特定系統(tǒng)調(diào)用的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了擴(kuò)展，得到的結(jié)果是一個(gè)與系統(tǒng)調(diào)用同名的函數(shù)，它可以在用戶程序中執(zhí)行這一系統(tǒng)調(diào)用。\x0d\x0a 2 添加新的系統(tǒng)調(diào)用 \x0d\x0a 如果用戶在Linux中添加新的系統(tǒng)調(diào)用，應(yīng)該遵循幾個(gè)步驟才能添加成功，下面幾個(gè)步驟詳細(xì)說明了添加系統(tǒng)調(diào)用的相關(guān)內(nèi)容。\x0d\x0a\x0d\x0a ?。?） 添加源代碼\x0d\x0a\x0d\x0a 之一個(gè)任務(wù)是編寫加到內(nèi)核中的源程序，即將要加到一個(gè)內(nèi)核文件中去的一個(gè)函數(shù)，該函數(shù)的名稱應(yīng)該是新的系統(tǒng)調(diào)用名稱前面加上sys_標(biāo)志。假設(shè)新加的系統(tǒng)調(diào)用為mycall(int number)，在/usr/src/linux/kernel/sys.c文件中添加源代碼，如下所示：\x0d\x0a alinkage int sys_mycall(int number) \x0d\x0a { \x0d\x0a return number; \x0d\x0a }\x0d\x0a 作為一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，我們新加的系統(tǒng)調(diào)用僅僅返回一個(gè)整型值。\x0d\x0a\x0d\x0a ?。?） 連接新的系統(tǒng)調(diào)用\x0d\x0a\x0d\x0a 添加新的系統(tǒng)調(diào)用后，下一個(gè)任務(wù)是使Linux內(nèi)核的其余部分知道該程序的存在。為了從已有的內(nèi)核程序中增加到新的函數(shù)的連接，需要編輯兩個(gè)文件。\x0d\x0a\x0d\x0a 在我們所用的Linux內(nèi)核版本（RedHat 6.0，內(nèi)核為2.2.5-15）中，之一個(gè)要修改的文件是：\x0d\x0a\x0d\x0a /usr/src/linux/include/a-i386/unistd.h\x0d\x0a\x0d\x0a 該文件中包含了系統(tǒng)調(diào)用清單，用來給每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用分配一個(gè)唯一的號(hào)碼。文件中每一行的格式如下：\x0d\x0a\x0d\x0a #define __NR_name NNN\x0d\x0a\x0d\x0a 其中，name用系統(tǒng)調(diào)用名稱代替，而NNN則是該系統(tǒng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的號(hào)碼。應(yīng)該將新的系統(tǒng)調(diào)用名稱加到清單的最后，并給它分配號(hào)碼序列中下一個(gè)可用的系統(tǒng)調(diào)用號(hào)。我們的系統(tǒng)調(diào)用如下：\x0d\x0a\x0d\x0a #define __NR_mycall 191\x0d\x0a\x0d\x0a 系統(tǒng)調(diào)用號(hào)為191，之所以系統(tǒng)調(diào)用號(hào)是191，是因?yàn)長(zhǎng)inux-2.2內(nèi)核自身的系統(tǒng)調(diào)用號(hào)碼已經(jīng)用到190。\x0d\x0a\x0d\x0a 第二個(gè)要修改的文件是：\x0d\x0a\x0d\x0a /usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S\x0d\x0a\x0d\x0a 該文件中有類似如下的清單：\x0d\x0a .long SYMBOL_NAME（）\x0d\x0a\x0d\x0a 該清單用來對(duì)sys_call_table數(shù)組進(jìn)行初始化。該數(shù)組包含指向內(nèi)核中每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的指針。這樣就在數(shù)組中增加了新的內(nèi)核函數(shù)的指針。我們?cè)谇鍐巫詈筇砑右恍校篭x0d\x0a .long SYMBOL_NAME(sys_mycall)\x0d\x0a\x0d\x0a ?。?） 重建新的Linux內(nèi)核\x0d\x0a\x0d\x0a 為使新的系統(tǒng)調(diào)用生效，需要重建Linux的內(nèi)核。這需要以超級(jí)用戶身份登錄。\x0d\x0a #pwd \x0d\x0a /usr/src/linux \x0d\x0a #\x0d\x0a\x0d\x0a 超級(jí)用戶在當(dāng)前工作目錄（/usr/src/linux）下，才可以重建內(nèi)核。\x0d\x0a\x0d\x0a #make config \x0d\x0a #make dep \x0d\x0a #make clearn \x0d\x0a #make bzImage\x0d\x0a\x0d\x0a 編譯完畢后，系統(tǒng)生成一可用于安裝的、壓縮的內(nèi)核映象文件：\x0d\x0a\x0d\x0a /usr/src/linux/arch/i386/boot/bzImage \x0d\x0a ?。?） 用新的內(nèi)核啟動(dòng)系統(tǒng) \x0d\x0a 要使用新的系統(tǒng)調(diào)用，需要用重建的新內(nèi)核重新引導(dǎo)系統(tǒng)。為此，需要修改/etc/lilo.conf文件，在我們的系統(tǒng)中，該文件內(nèi)容如下：\x0d\x0a\x0d\x0aboot=/dev/hda \x0d\x0a map=/boot/map \x0d\x0a install=/boot/boot.b \x0d\x0a prompt \x0d\x0a timeout=50 \x0d\x0a\x0d\x0a image=/boot/vmlinuz-2.2.5-15 \x0d\x0a label=linux \x0d\x0a root=/dev/hdb1 \x0d\x0a read-only \x0d\x0a\x0d\x0a other=/dev/hda1 \x0d\x0a label=dos \x0d\x0a table=/dev/had\x0d\x0a\x0d\x0a 首先編輯該文件，添加新的引導(dǎo)內(nèi)核：\x0d\x0a image=/boot/bzImage-new \x0d\x0a label=linux-new \x0d\x0a root=/dev/hdb1 \x0d\x0a read-only\x0d\x0a\x0d\x0a 添加完畢，該文件內(nèi)容如下所示：\x0d\x0a boot=/dev/hda \x0d\x0a map=/boot/map \x0d\x0a install=/boot/boot.b \x0d\x0a prompt \x0d\x0a timeout=50 \x0d\x0a\x0d\x0a image=/boot/bzImage-new \x0d\x0a label=linux-new \x0d\x0a root=/dev/hdb1 \x0d\x0a read-only \x0d\x0a\x0d\x0a image=/boot/vmlinuz-2.2.5-15 \x0d\x0a label=linux \x0d\x0a root=/dev/hdb1 \x0d\x0a read-only \x0d\x0a\x0d\x0a other=/dev/hda1 \x0d\x0a label=dos \x0d\x0a table=/dev/hda\x0d\x0a\x0d\x0a 這樣，新的內(nèi)核映象bzImage-new成為缺省的引導(dǎo)內(nèi)核。為了使用新的lilo.conf配置文件，還應(yīng)執(zhí)行下面的命令：\x0d\x0a #cp /usr/src/linux/arch/i386/boot/zImage /boot/bzImage-new\x0d\x0a\x0d\x0a 其次配置lilo:\x0d\x0a\x0d\x0a # /in/lilo\x0d\x0a\x0d\x0a 現(xiàn)在，當(dāng)重新引導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)，在boot:提示符后面有三種選擇：linux-new 、linux、dos，新內(nèi)核成為缺省的引導(dǎo)內(nèi)核。\x0d\x0a 至此，新的Linux內(nèi)核已經(jīng)建立，新添加的系統(tǒng)調(diào)用已成為操作系統(tǒng)的一部分，重新啟動(dòng)Linux，用戶就可以在應(yīng)用程序中使用該系統(tǒng)調(diào)用了。\x0d\x0a\x0d\x0a ?。?）使用新的系統(tǒng)調(diào)用\x0d\x0a\x0d\x0a 在應(yīng)用程序中使用新添加的系統(tǒng)調(diào)用mycall。同樣為實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，我們寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子xtdy.c。\x0d\x0a\x0d\x0a /* xtdy.c */ \x0d\x0a #include \x0d\x0a _syscall1(int,mycall,int,ret) \x0d\x0a main() \x0d\x0a { \x0d\x0a printf(“%d \n”,mycall(100)); \x0d\x0a }\x0d\x0a 編譯該程序：\x0d\x0a # cc -o xtdy xtdy.c\x0d\x0a 執(zhí)行：\x0d\x0a # xtdy\x0d\x0a 結(jié)果：\x0d\x0a # 100\x0d\x0a 注意，由于使用了系統(tǒng)調(diào)用，編譯和執(zhí)行程序時(shí)，用戶都應(yīng)該是超級(jí)用戶身份。
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