从进入内核态看内存管理

写在前面

知乎上搜到一个比较有意思的话题：如何理解「进入内核态」，要回答好这个问题需要对内存管理及程序的运行机制有比较深刻的了解，比如你需要了解内存的分段，分页，中断等机制，信息量比较大，本文将会 Intel x86 处理器下的内存管理作为背景，由浅入深，由表及里，带你理解「进入内核态」的深刻含义。

进入内核态

要理解进入内核态，首先得理解什么是内核态和用户态。在计算机系统中，存在两种不同的运行模式：内核态和用户态。内核态拥有对整个系统的最高权限，可以访问和修改所有内存区域和硬件资源；而用户态则受到限制，只能访问和修改属于自己的内存区域，且不能直接操作硬件资源。

当程序运行在用户态时，一旦需要执行特权指令（如修改系统配置、访问受保护的内存区域）或发生异常（如除零错误、内存访问越界），就会触发一个称为系统调用的机制，将程序的执行权从用户态切换到内核态。在内核态下，系统可以执行特权指令，处理异常，并协调各个程序和硬件资源的运行。

内存管理

内存管理是理解进入内核态的关键。在现代计算机系统中，内存被划分为多个段和页，每个段和页都有各自的访问权限和保护属性。当程序在用户态运行时，它只能访问属于自己的段和页，而不能访问内核态的段和页。

当程序触发系统调用进入内核态时，处理器会根据程序当前正在执行的代码段，切换到内核态的代码段。内核态的代码段拥有对所有段和页的访问权限，因此可以执行特权指令，处理异常，并协调各个程序和硬件资源的运行。

分页机制

分页机制是现代操作系统中常用的内存管理技术。它将物理内存划分为固定大小的页，并建立一个页表来记录每个页的物理地址。当程序访问内存时，处理器会先查询页表，找到对应的物理地址，然后再进行访问。

分页机制的好处在于，它可以实现内存的虚拟化。程序在运行时并不需要知道物理内存的实际布局，只需要知道自己的虚拟地址空间即可。这使得程序可以被加载到不同的物理内存区域，而无需修改代码。

中断机制

中断机制是另一个理解进入内核态的关键。当发生异常或需要执行特权指令时，处理器会触发一个中断。中断会将程序的执行权从用户态切换到内核态，并执行相应的处理程序。

中断处理程序可以处理各种事件，如除零错误、内存访问越界、外部设备请求等。通过中断机制，处理器可以及时响应各种事件，并保证系统的稳定性和可靠性。

总结

进入内核态是程序运行过程中的一种特殊状态，它允许程序执行特权指令，处理异常，并协调各个程序和硬件资源的运行。内存管理，特别是分页机制和中断机制，是理解进入内核态的关键。通过理解这些机制，我们才能深入了解现代计算机系统的运作原理。

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