那些令人懵逼的用户态＆内核态

前言

在讨论多线程时，总会不可避免地听到：线程切换损耗、上下文切换，内核态、用户态。这些专有名词还真是不好理解。因为这背后涉及的不仅仅是线程，甚至是计算机硬件与操作系统层面的内容。因此，本文的目的，只是想搞清楚用户态和内核态。

用户态与内核态

为什么会有用户态和内核态？说到底还是处于安全考虑。我们的应用程序谁都可以开发，谁都可以在操作系统中运行。如果没有一个安全机制，防止不法之徒恶意破坏，那肯定要完蛋。因此，从CPU层面就开始考虑这个事情了（这也是为什么开篇就说这是一整个计算机体系的内容）CPU分为4个等级，ring0-ring3。ring0拥有最大权限，所有资源都能控制。而ring3权限最小，我们的应用程序都是在这个权限下运行的。
kernel也就是操作系统内核，Applications也就是应用程序。除此之外，内核有自己的专属空间，这部分地址，用户程序是不能直接访问的。
那么问题来了，如果应用程序需要请求某些资源怎么办？例如，操作硬盘上的文件？于是操作系统提供了一系列的系统调用，通过系统调用，由内核代码来执行这些操作。

进程、系统调用、上下文

进程在用户态空间有自己函数栈、内存映射表等等。而在内核空间也有对应的函数栈，用于执行内核代码函数。因此当CPU在执行进程在用户空间的代码时，我们称，进程工作在用户态。当进程在CPU上执行内核代码时，就认为进程工作在内核态。
当用户程序需要访问系统资源发起系统调用时，就需要进入内核态。所谓系统调用，就是发起一个软中断，让程序陷入内核态。关于软中断，也是计算机体系架构/操作系统的内容。这里不展开。

CPU上下文切换

进程有用户态的函数栈，也有内核态的函数栈。当陷入内核态时，就需要切换到内核态的函数栈运行。因此，这里就涉及到上下文切换。这个地方的上下文，指的是CPU上下文。就是切换CPU的程序计数器、以及一系列的寄存器。

进程上下文切换

那么当我们需要切换进程的时候，这意味着，不仅用户态的虚拟内存、函数栈等等资源，还有内核态的堆栈等等资源也需要进行切换。于是，我们不禁想：那么线程切换的时候，又干啥了呢？

线程上下文切换

要想理解线程上下文，就不得不对线程模型进行一番了解。这里大概了解一些概念：ULT、KTL、LWP。

线程模型

上面我们谈到进程有用户态的函数栈、内存空间等等，在内核态中也有这么些资源。但是这些资源，在线程中，有没有这些资源，取决于线程的实现方式。

用户级线程（n:1模型）

ULT：User Level Thread，指在用户空间对线程进行实现，内核并不知道存在线程这么个东西。换句话说，这种实现方式下，自然就没有与线程对应的内核态的资源了。因此整个进程（包括用户线程）共享进程所有的内核资源。这意味着任何一个用户线程在陷入内核态并且被阻塞时，整个进程都会被阻塞！
这个时候就需要注意了，与进程相比，线程没有内核资源。这个点将引申出后面内核线程的概念。

内核级线程（1：1模型/n:m模型）

指需要内核的参与，由内核完成线程的调度。换而言之，就是内核知道线程这个东西的存在，并对其提供支持。
而NPTL（Native POSIX Threading Library）从Linux2.6开始就被采用了。上面我们说到用户级线程没有内核空间相关资源，于是这里上了一个LWP（Light Weight Process），怎么做的呢？其实Linux对于线程也好，还是进程也罢，在内核中，都是task_struct。对于同一个进程中的所有线程作为一个分组，共享进程的虚拟内存、全局变量等，但是它有自己的函数栈。而LWP在用户态空间共享了进程的资源。
与用户线程相对的，内核线程只运行在内核态，不受用户态上下文的拖累。而它就是为LWP提供支持。

用户线程->LWP（用户态）->内核线程（内核态）

回到线程上下文切换，在NPTL实现下，线程上下文切换，需要切换用户态的函数栈，LWP的内核函数栈，但不需要切换进程的虚拟内存、全局变量。而在用户级线程模型的经典LinuxTreads实现下，只需要切换用户空间的资源即可。

总结

1. 由用户程序创建的进程有内核态和用户态资源，如果一个进程只存在内核运行，则可以理解为内核进程。
2. 用户线程，按照实现分为用户级线程、内核级线程。
3. 内核级线程，只是说该线程有内核的支持，它并没有内核态资源。但是当LWP陷入内核态，并通过KLT对它进行支持的时候，说该线程处于内核态，倒也说的过去。

后记

如前，要搞清楚这些东西，还是得从计算机体系结构开始慢慢学习理解。文章排版可能有些乱，但内容的顺序感觉还行。各位看官，勉强看吧。。。

参考

极客时间-计算机组成原理
极客时间-趣谈Linux内核
轻量级线程（LWP）介绍以及与内核线程、用户线程的区别
Linux线程模型
CPU上下文
操作系统 | 中断 & 系统调用浅析