空间

内核空间与用户空间

为了保护操作系统安全，操作系统按照特权等级将将虚拟空间划分为两个部分，内核空间与用户空间。内核空间（Ring 0）是操作系统内核访问的区域，具有最高权限，可以直接访问所有资源。用户空间（Ring 3）是普通应用程序可访问的内存区域，只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。只能访问用户空间也就是运行在Ring 3上的程序我们称为用户程序，而运行在Ring 0上的程序我们称为内核程序。

内核态与用户态

用户程序不能访问内核空间，如果想要调用内核程序进行IO操作，必须从用户态切换为内核态，等到内核处理完之后再切换为用户态。

内核态

处理器处于特权级最高的（Ring 0）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。

用户态

此时处理器在特权级最低的（Ring 3）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。

状态切换

用户程序进行IO操作时需要进行两次状态切换：

用户态->内核态->用户态，具体流程如下：

1. 用户态程序将一些数据值放在寄存器中，或者使用参数创建一个堆栈(stack frame)，以此表明需要操作系统提供的服务

2. 用户态程序执行陷阱指令

3. CPU切换到内核态，并跳到位于内存指定位置的指令，这些指令是操作系统的一部分, 他们具有内存保护，不可被用户态程序访问

4. 这些指令称之为陷阱(trap)或者系统调用处理器(system call handler)，他们会读取程序放入内存的数据参数，并执行程序请求的服务

5. 系统调用完成后，操作系统会重置CPU为用户态并返回系统调用的结果