liux虚拟内存内核空间和用户空间的区别(liux的虚拟内存)

导语：linux虚拟内存、内核空间和用户空间、进程上下文和中断上下文

linux虚拟内存、内核空间和用户空间、进程上下文和中断上下文

在linux编程中经常会遇到内核空间和用户空间这个概念，下面谈谈我的理解

一、虚拟内存

什么叫虚拟内存？早起计算机中要运行一个程序会把程序全部装进内存然后运行，这样做有三个缺点：

1）进程地址空间不隔离，不安全

2）内存使用效率低：当内存空间不足时会将部分程序拷贝置硬盘给现程序腾出空间

3）程序运行地址是随机分配的，不好管理

虚拟内存就是一个地址映射表，表中的地址都不是实际物理存储器的地址，但操作系统通过它可以访问物理存储器的地址，对于32位CPU，寻址能力为2的32次方，也就是4GB，而64位CPU位2的64次方，也就是8GB，这也就是它们的虚拟内存空间大小。

二、内核空间和用户空间

我们用32位cpu来举例，下图是它的虚拟内存空间，我们把高1G字节（0xC0000000到0xFFFFFFFF）设定为内核空间，低3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF）设定为用户空间。

操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，拥有直接访问底层硬件的权限，为了保证用户进程不能直接操作内核，我们做出了这种划分。每个进程可以通过系统调用从用户空间进入内核空间，Linux内核空间由系统内的所有进程共享，但用户空间的进程之间是不共享虚拟内存的。

三、内核态和用户态

1.当一个进程执行系统调用而陷入内核代码中执行时，称进程处于内核运行态（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。

2.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）。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。

四、进程上下文和中断上下文

程序在执行过程中可能处于以下三种状态之一：

（1）内核态，运行于进程上下文，内核代表进程运行于内核空间。

（2）内核态，运行于中断上下文，内核代表硬件运行于内核空间。

（3）用户态，运行于用户空间。

上下文是什么？上下文就是一种环境，不同的上下文（环境）中资源是不同的（例如参数、变量和寄存器值不同）。当一个进程在执行时,CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容被称为该进程的上下文。

一个进程的上下文可以分为三个部分:

1用户级上下文: 正文、数据、用户堆栈以及共享存储区；

2寄存器上下文: 通用寄存器、程序寄存器(IP)、处理器状态寄存器(EFLAGS)、栈指针(ESP)；

3系统级上下文: 进程控制块task_struct、内存管理信息(mm_struct、vm_area_struct、pgd、pte)、内核栈。

当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的上下文，即所谓的“进程上下文“，以便在再次执行该进程时，能够必得到切换时的状态执行下去，所以进程切换的过程实际就是上下文切换的过程。在LINUX中，当前进程上下文均保存在进程的任务数据结构中。

在发生中断时（硬件通过触发信号，导致内核调用中断处理程序，进入内核空间），内核就在被中断进程的上下文中，即所谓的“中断上下文”，在内核态下执行中断服务例程。但同时会保留所有需要用到的资源（硬件传递过来的参数和当前被中断进程的上下文），以便中继服务结束时能恢复被中断进程的执行。

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