從圖上我們可以看出來通過系統調用將Linux整個體系分為用戶態和內核態（或者說內核空間和用戶空間）。那內核態到底是什麼呢？其實從本質上說就是我們所說的內核，它是一種特殊的軟體程序，特殊在哪兒呢？控制計算機的硬體資源，例如協調CPU資源，分配內存資源，並且提供穩定的環境供應用程序運行。

用戶態就是提供應用程序運行的空間，為了使應用程序訪問到內核管理的資源例如CPU，內存，I/O。內核必須提供一組通用的訪問介面，這些介面就叫系統調用。

系統調用

系統調用時操作系統的最小功能單位。根據不同的應用場景，不同的Linux發行版本提供的系統調用數量也不盡相同，大致在240-350之間。這些系統調用組成了用戶態跟內核態交互的基本介面，例如：用戶態想要申請一塊20K大小的動態內存，就需要brk系統調用，將數據段指針向下偏移，如果用戶態多處申請20K動態內存，同時又釋放呢？這個內存的管理就變得非常的複雜。

庫函數

庫函數就是屏蔽這些複雜的底層實現細節，減輕程序員的負擔，從而更加關註上層的邏輯實現。它對系統調用進行封裝，提供簡單的基本介面給用戶，這樣增強了程序的靈活性，當然對於簡單的介面，也可以直接使用系統調用訪問資源，例如：open（），write（），read（）等等。庫函數根據不同的標準也有不同的版本，例如：glibc庫，posix庫等。

shell

shell顧名思義，就是外殼的意思。就好像把內核包裹起來的外殼。它是一種特殊的應用程序，俗稱命令行。為了方便用戶和系統交互，一般一個shell對應一個終端，呈現給用戶交互窗口。當然shell也是編程的，它有標準的shell語法，符合其語法的文本叫shell腳本。很多人都會用shell腳本實現一些常用的功能，可以提高工作效率。

我們再來看一個更加細化的Linux體系架構圖。我們可以總結下：內核控制並且管理硬體資源，包括進程的調度和管理、內存管理、文件系統管理、設備驅動管理、網路管理等等。並且提供應用程序統一的系統調用介面。這種分層的架構，極大的提升了系統的穩定性和擴展性，兼容性。

用戶態到內核態怎樣切換？

往往我們的系統的資源是固定的，例如內存2G，CPU固定，磁碟2TB，網路介面固定。所以就需要操作系統對資源進行有效的利用。假設某個應用程序過分的訪問這些資源，就會導致整個系統的資源被佔用，如果不對這種行為進行限制和區分，就會導致資源訪問的衝突。所以，Linux的設計的初衷：給不同的操作給與不同的「許可權」。Linux操作系統就將許可權等級分為了2個等級，分別就是內核態和用戶態。

各位有沒有發現，前面講了這麼多內核態和用戶態什麼不同，其實用一句話就能概括：它們許可權不同。用戶態的進程能夠訪問的資源受到了極大的控制，而運行在內核態的進程可以「為所欲為」。一個進程可以運行在用戶態也可以運行在內核態，那它們之間肯定存在用戶態和內核態切換的過程。打一個比方：C庫介面malloc申請動態內存，malloc的實現內部最終還是會調用brk（）或者mmap（）系統調用來分配內存。

那為問題又來了，從用戶態到內核態到底怎麼進入？只能通過系統調用嗎？還有其他方式嗎？

從用戶態到內核態切換可以通過三種方式：

1. 系統調用，這個上面已經講解過了，在我公眾號之前的文章也有講解過。其實系統調用本身就是中斷，但是軟體中斷，跟硬中斷不同。
2. 異常：如果當前進程運行在用戶態，如果這個時候發生了異常事件，就會觸發切換。例如：缺頁異常。
3. 外設中斷：當外設完成用戶的請求時，會向CPU發送中斷信號。

總結

本片文章，沒有非常深入的Linux內核實現，只是從宏觀的角度闡述了下。看完上面的文章，也能得出一點結論就是：系統調用真的開銷蠻大的。涉及到上下文的切換。在上篇文章中【Linux的直接I/O原理】中有講述到這些，Linux內核真的是複雜的工程，更多技術細節，需要點滴積累。

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