啥叫進(jìn)入內(nèi)核態(tài)？？？
作者：靈劍
鏈接：https://www.zhihu.com/question/306127044/answer/555327651
對操作系統(tǒng)有過了解的童鞋都知道內(nèi)核態(tài)，而且大家或多或少都聽過進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，這到底是是啥意思呢？這篇文章就詳細(xì)給大家科普下。
建議首先先集中力量在計(jì)算機(jī)組成原理上，不過的確單看計(jì)算機(jī)組成原理也比較枯燥，可以結(jié)合起來稍微講一下。
太長不看的提前總結(jié)：
內(nèi)核態(tài)，或者說 CPU 的特權(quán)模式，是 CPU 的一種工作狀態(tài)，它影響 CPU 對不同指令的執(zhí)行結(jié)果。操作系統(tǒng)通過跟 CPU 配合，設(shè)置特權(quán)模式和用戶模式，來防止應(yīng)用程序進(jìn)行越權(quán)的操作。 防止應(yīng)用程序越權(quán)訪問內(nèi)存時(shí)使用了虛擬地址空間映射的技術(shù)，這是操作系統(tǒng)軟件配合硬件的 MMU 共同實(shí)現(xiàn)的。在用戶模式下，應(yīng)用程序訪問的內(nèi)存地址是虛擬內(nèi)存地址，會(huì)映射到操作系統(tǒng)指定的物理地址上。這個(gè)虛擬內(nèi)存地址空間就是你說的用戶空間。 內(nèi)核態(tài)是個(gè)操作系統(tǒng)概念，雖然對應(yīng)到 CPU 的特權(quán)模式，但一般如果沒有操作系統(tǒng)，就不說內(nèi)核態(tài)了，直接說運(yùn)行在 CPU 的特權(quán)模式應(yīng)該沒毛病。 應(yīng)用程序無法自由進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，只能通過操作系統(tǒng)提供的接口調(diào)用進(jìn)入，或者在硬件中斷到來時(shí)被動(dòng)進(jìn)入。 應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)功能來使用硬件。
首先從問題最關(guān)鍵的地方開始：歸根到底為什么需要保護(hù)模式？
從計(jì)算機(jī)組成原理的最基礎(chǔ)的理論開始講起。說到計(jì)算機(jī)，從馮諾依曼體系講起，最重要的就是五部分：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。
其中，運(yùn)算器是無狀態(tài)的；控制器配合一部分寄存器，但是寄存器數(shù)量很少，而且通常都很容易被修改；輸入設(shè)備、輸出設(shè)備只有接受指令的時(shí)候才動(dòng)作。歸根結(jié)底來說，整個(gè)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)幾乎完全由存儲(chǔ)器和少數(shù)幾個(gè)寄存器控制。
也就是說，如果一段程序能夠完全控制物理內(nèi)存，那么它就能做到任意改變計(jì)算機(jī)的狀態(tài)，包括干掉整個(gè)操作系統(tǒng)然后把自己變成操作系統(tǒng)；把自己變成操作系統(tǒng)的一部分等等。通常來說操作系統(tǒng)肯定是不樂意的了。
早期的 DOS 這樣的操作系統(tǒng)，運(yùn)行在實(shí)模式上，就遇到的是這樣的情況：它其實(shí)將要執(zhí)行的應(yīng)用程序加載變成了操作系統(tǒng)的一部分，然后混合起來運(yùn)行，哪一段是用戶程序、哪一段是操作系統(tǒng)并沒有很明確的界限：用戶程序退出就回到操作系統(tǒng)；用戶程序觸發(fā)軟中斷就到操作系統(tǒng)，返回又回到用戶程序；用戶程序自己可以訪問大部分的硬件設(shè)備；用戶程序甚至可以隨意修改屬于操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。于是，當(dāng)時(shí)的許多病毒也毫不客氣地把自己直接連接到了操作系統(tǒng)的程序里面，一旦執(zhí)行就永遠(yuǎn)駐留成為操作系統(tǒng)的一部分。當(dāng)時(shí)在 DOS 上流行的病毒可謂多種多樣、五花八門。
單任務(wù)的情況下已經(jīng)有不少問題了，到了多任務(wù)模式下，問題就更嚴(yán)重了：
因?yàn)槎鄠€(gè)應(yīng)用程序要獨(dú)立加載，如果兩個(gè)應(yīng)用程序執(zhí)意要使用同一個(gè)內(nèi)存地址，那就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的問題，操作系統(tǒng)必須防止這種事情發(fā)生 外部設(shè)備一般來說都是很傻的，它并不知道多任務(wù)的存在，不管誰操作外部設(shè)備它都是一樣響應(yīng)。這樣如果多個(gè)應(yīng)用程序自己直接去操縱硬件設(shè)備，就會(huì)出現(xiàn)相互沖突，有可能一個(gè)程序的數(shù)據(jù)被發(fā)送到了另一個(gè)程序等等 操作系統(tǒng)必須自己響應(yīng)硬件中斷，通過硬件中斷來切換任務(wù)上下文，讓合適的任務(wù)在合適的時(shí)機(jī)繼續(xù)執(zhí)行。如果應(yīng)用程序自己把中斷響應(yīng)程序改掉了，整個(gè)操作系統(tǒng)都會(huì)崩潰 操作系統(tǒng)必須有能力在單個(gè)應(yīng)用程序崩潰的情況下清理這個(gè)應(yīng)用程序使用的資源，保證不影響其他應(yīng)用程序；這就要求它必須清楚知道每個(gè)應(yīng)用程序使用了哪些資源
這還只是考慮到應(yīng)用程序都是善良的情況下，要對付惡意程序就需要更強(qiáng)的手段。
可我們前面說了，物理內(nèi)存就是整個(gè)計(jì)算機(jī)狀態(tài)的全部，如果程序有辦法讀寫所有的物理內(nèi)存和寄存器，那任何保護(hù)手段都無濟(jì)于事。所以要限制應(yīng)用程序的行為，必須在應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)有不同的狀態(tài)，核心問題在于保護(hù)關(guān)鍵寄存器和重要的物理內(nèi)存。
這個(gè)目標(biāo)顯然是必須要硬件配合的，否則 CPU 如何區(qū)分當(dāng)前究竟是執(zhí)行操作系統(tǒng)（開放所有能力）還是應(yīng)用程序（限制危險(xiǎn)功能）呢？那么我們?nèi)绻豢紤]實(shí)際結(jié)果，只從需求上面分析如何解決這個(gè)問題，應(yīng)該可以得到以下結(jié)論：
CPU 必須至少有兩種不同的狀態(tài)：操作系統(tǒng)狀態(tài)和應(yīng)用程序狀態(tài)。不同狀態(tài)下，相同指令會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，也就保證某些任務(wù)只有操作系統(tǒng)能執(zhí)行，某些只有應(yīng)用程序能執(zhí)行。 操作系統(tǒng)必須有辦法配合 CPU，設(shè)置哪些內(nèi)存可以訪問，哪些內(nèi)存不能訪問（或者說只有操作系統(tǒng)狀態(tài)下能訪問），不能訪問的包括操作系統(tǒng)自己的代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)、中斷向量表等。 應(yīng)用程序狀態(tài)下不能直接訪問硬件設(shè)備 CPU 在觸發(fā)中斷時(shí)需要自動(dòng)切換到操作系統(tǒng)狀態(tài)（否則無法進(jìn)行多任務(wù)切換） 操作系統(tǒng)狀態(tài)可以自由切換到應(yīng)用程序狀態(tài)；應(yīng)用程序狀態(tài)不能任意切換到操作系統(tǒng)狀態(tài)，但也需要有觸發(fā)進(jìn)入操作系統(tǒng)代碼并切換到操作系統(tǒng)狀態(tài)的能力（否則無法調(diào)用操作系統(tǒng)功能）
現(xiàn)在我們回到實(shí)際 CPU 的設(shè)計(jì)上，顯然實(shí)際 CPU 的設(shè)計(jì)者的思路跟我們是差不多的。這里我們叫做操作系統(tǒng)狀態(tài)的，在實(shí)際操作系統(tǒng)概念中就叫做內(nèi)核態(tài)，在 CPU 設(shè)計(jì)上則叫做特權(quán)模式；我們叫做應(yīng)用程序狀態(tài)的，在實(shí)際操作系統(tǒng)概念中叫做用戶態(tài)，CPU 設(shè)計(jì)上叫做用戶模式。
注意到，內(nèi)核態(tài)并不是一個(gè)東西，沒有處于什么地方一說，它是 CPU 的兩種狀態(tài)之一。如果不是說進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，而是說切換到內(nèi)核態(tài)，可能你就沒有這種誤解了。都怪intel將系統(tǒng)調(diào)用的指令起名字叫sysenter，所以大家都比較習(xí)慣說“進(jìn)入”內(nèi)核態(tài)。
實(shí)際上 CPU 可能被細(xì)分為更多的運(yùn)行模式，而不僅僅是特權(quán)和用戶兩種模式，不過操作系統(tǒng)至少需要這兩種。有的時(shí)候特權(quán)和用戶模式也指的并不是一種真正的模式，而是一類模式，比如好幾種類似的但略有區(qū)別的運(yùn)行模式都合成特權(quán)模式之類。
這種特權(quán) + 用戶的多模式切換的運(yùn)行方式，就叫做（x86）CPU 的保護(hù)模式功能。保護(hù)模式之所以也是一個(gè)模式，有一定的歷史原因，因?yàn)?intel CPU 每一代產(chǎn)品都會(huì)盡量兼容之前的產(chǎn)品，早期的 CPU 啟動(dòng)時(shí)是實(shí)模式，沒有這種模式切換的功能，后來的 CPU 為了兼容早期的 CPU，啟動(dòng)時(shí)也處于實(shí)模式，需要引導(dǎo)程序主動(dòng)進(jìn)入保護(hù)模式，然后才擁有多模式切換的能力。這些是歷史原因和一些細(xì)節(jié)問題。
對于 CPU 本身來說，CPU 是不知道究竟哪一段代碼屬于應(yīng)用程序、哪一段代碼屬于操作系統(tǒng)的，它沒有能力識(shí)別當(dāng)前執(zhí)行的代碼究竟應(yīng)不應(yīng)該有權(quán)限，因此它只負(fù)責(zé)按照程序邏輯來執(zhí)行：如果指令自己要求自己進(jìn)入用戶模式，CPU 就進(jìn)入用戶模式，但進(jìn)去之后，就只有特定的方法才能再回到特權(quán)模式。所以并不是說進(jìn)入特權(quán)模式就一定是操作系統(tǒng)代碼了，CPU 并沒有這個(gè)保證。但是，我們說了，保護(hù)模式設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是為了讓應(yīng)用程序代碼受到限制，如果應(yīng)用程序的代碼進(jìn)入了特權(quán)模式，這個(gè)限制就完全失效了，所以操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)上會(huì)使用各種各樣的巧妙手段，配合CPU的功能，保障應(yīng)用程序只能通過跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)代碼的方式來切換到內(nèi)核態(tài)上，這樣也就間接保障了內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行的都是操作系統(tǒng)（包括驅(qū)動(dòng)）的代碼。
接下來我們討論如何限制內(nèi)存訪問的問題，這也是這個(gè)設(shè)計(jì)中最困難的一部分。相比來說，在用戶模式下禁用一部分指令功能比較簡單，無非是控制器里加入相應(yīng)的組合邏輯，判斷當(dāng)前狀態(tài)，如果狀態(tài)為用戶模式則拒絕執(zhí)行特權(quán)指令而已。而內(nèi)存讀寫則不一樣，指令是相同的，只是訪問的內(nèi)存地址不同，這時(shí)候有些地址是可以訪問的，有些地址則不能訪問，能不能訪問的區(qū)別僅僅在內(nèi)存地址上。要知道，CPU 是支持利用寄存器間接尋址的，因此這個(gè)非法的指令不可能在譯碼的階段就發(fā)現(xiàn)，而是必須在執(zhí)行期間發(fā)現(xiàn)；同時(shí)，哪些地址可以訪問，哪些地址不能訪問，必須完全是可配置的，操作系統(tǒng)有極大的自由。最后，這個(gè)系統(tǒng)還必須對應(yīng)用程序有最基礎(chǔ)的友好性，不能讓應(yīng)用程序太難寫。
既然內(nèi)存里每一個(gè)單元是否允許訪問都需要能夠設(shè)置，而內(nèi)存的大小是不確定的，那這個(gè)設(shè)置的數(shù)量也不確定，而且會(huì)較為龐大，在寸土寸金（？）的 CPU 里放這么多、這么復(fù)雜的設(shè)置是很不合適的，唯一可行的方案就是通過內(nèi)存自己來管理內(nèi)存——使用一部分內(nèi)存用來存儲(chǔ)其他內(nèi)存應(yīng)該如何使用的配置。這樣，實(shí)際訪問內(nèi)存時(shí)，就需要——
先訪問內(nèi)存中的內(nèi)存配置，根據(jù)內(nèi)存配置判斷要訪問的內(nèi)存是否允許訪問，如果不允許訪問需要觸發(fā)非法操作的中斷，而如果允許訪問則正常訪問；同時(shí)，內(nèi)存中的內(nèi)存配置也是內(nèi)存的一部分，所以內(nèi)存中的內(nèi)存配置也會(huì)受到內(nèi)存中的內(nèi)存配置的管理。
僅僅從這個(gè)拗口程度上也能知道這是一件多么復(fù)雜的事情，使用內(nèi)存自己來管理內(nèi)存，這就好比左腳踩著右腳上天梯，一個(gè)不小心玩脫了就出大事了。而且為了讓帶配置的內(nèi)存使用起來有效率，還需要大量使用緩存技術(shù)。
CPU 中引入了一種稱為 MMU 的單元，它可能是現(xiàn)代 CPU 最復(fù)雜的組件之一了。它能從內(nèi)存中以指定格式加載配置，從而影響用戶模式下訪問內(nèi)存的特性。為了方便進(jìn)程切換，這個(gè)格式往往有復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還要支持多種多樣的配置功能。在用戶模式下，所有內(nèi)存訪問經(jīng)過 MMU，從而對內(nèi)存的訪問受到了保護(hù)；在特權(quán)模式下，內(nèi)存訪問繞過 MMU，直接訪問物理內(nèi)存，從而獲得完整的權(quán)限。
從具體設(shè)計(jì)上來說，最直接的想法就是用戶模式和特權(quán)模式都使用相同的內(nèi)存地址，只是在用戶模式下設(shè)置哪些內(nèi)存可訪問，哪些不可訪問。這種方法是否可行呢？實(shí)際上是可行的，不過略有一些缺陷：
在保護(hù)模式出現(xiàn)之前，編譯器都是針對實(shí)模式設(shè)計(jì)的，在編譯過程中，使用哪些內(nèi)存地址范圍、內(nèi)存的什么位置放什么數(shù)據(jù)，都完全是編譯器可以自己決定的。即使是保護(hù)模式出現(xiàn)之后，操作系統(tǒng)的部分也需要相同的編譯方式。如果應(yīng)用程序的編譯需要放棄這一套邏輯，改成所有地址都由操作系統(tǒng)分配，那現(xiàn)有的匯編程序和編譯器都需要重寫，這個(gè)代價(jià)難以接受。 應(yīng)用程序經(jīng)常會(huì)需要使用一大片連續(xù)的內(nèi)存空間，比如說涉及數(shù)組的一系列算法。如果內(nèi)存空間全部都是動(dòng)態(tài)分配的，那有些程序可能會(huì)不斷地申請小塊小塊的空間，從而讓內(nèi)存空間碎片化，沒有連續(xù)成片的內(nèi)存。等這些程序退出之后，釋放出來的內(nèi)存都是小塊、不連續(xù)的，操作系統(tǒng)就沒法讓其他應(yīng)用程序使用連續(xù)成片的內(nèi)存了。 安全上有隱患，雖然應(yīng)用程序沒法讀取其他內(nèi)存，但是應(yīng)用程序可以知道哪些內(nèi)存已經(jīng)被其他應(yīng)用程序用了，于是可以從內(nèi)存地址的分配上分析出一些信息，例如當(dāng)前操作系統(tǒng)可能執(zhí)行了哪些其他應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可能處于什么狀態(tài)等等。還有可能因?yàn)?CPU 實(shí)現(xiàn)的 bug 導(dǎo)致應(yīng)用程序能以意想不到的方式讀取到不應(yīng)當(dāng)能讀取的數(shù)據(jù)。 現(xiàn)代操作系統(tǒng)希望支持一些高級的內(nèi)存管理方式，例如虛擬內(nèi)存——將一部分不使用的內(nèi)存暫時(shí)放在磁盤上，這樣可以用較少的內(nèi)存支撐更多的應(yīng)用程序；寫時(shí)復(fù)制——兩個(gè)應(yīng)用程序使用相同的內(nèi)存塊，希望能暫時(shí)使用同一個(gè)物理內(nèi)存地址，但是其中一個(gè)需要修改的時(shí)候再將它復(fù)制成兩份獨(dú)立的內(nèi)存塊，從而節(jié)約內(nèi)存。
現(xiàn)代 MMU 通常使用虛擬地址空間的技術(shù)來解決這個(gè)問題，也就是你說的“用戶空間”。在用戶模式下，所有訪問內(nèi)存的地址實(shí)際上都是虛擬地址，它與實(shí)際的物理地址是對應(yīng)不上的。這樣，即便兩個(gè)應(yīng)用程序使用了相同的地址，它們也可以做到互不干擾，只需要通過技術(shù)手段讓它們實(shí)際映射到不同的物理地址就行了。MMU和操作系統(tǒng)通過稱作頁表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的映射，一般來說在x86-64系統(tǒng)中，內(nèi)存按照4KB的大小分成頁，每個(gè)地址對齊的頁可以獨(dú)立從任意一個(gè)虛擬地址段，映射到任意一個(gè)物理內(nèi)存地址段，兩個(gè)起始地址的低12位都是0（也就是所謂地址對齊，這樣任意一個(gè)虛擬地址映射到物理地址時(shí)，最低12位不需要?jiǎng)樱?。頁表的結(jié)構(gòu)在每次進(jìn)入用戶模式之前都可以重新設(shè)置，這樣切換進(jìn)程之后，頁表發(fā)生了變化，同一個(gè)虛擬地址就會(huì)映射到不同的物理地址上，這就同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)目標(biāo)：
應(yīng)用程序有獨(dú)立的虛擬地址空間 應(yīng)用程序只能訪問已經(jīng)映射了的虛擬地址空間，未映射的物理地址無法訪問（實(shí)現(xiàn)了保護(hù)內(nèi)存） 頁表和中斷向量表，理所當(dāng)然不會(huì)被映射出來 部分RISC（x86是 CISC）的架構(gòu)上，內(nèi)存和外部設(shè)備有統(tǒng)一的地址空間，不映射外設(shè)的地址，也就阻止了對外設(shè)的訪問 應(yīng)用程序看來連續(xù)的內(nèi)存，在物理內(nèi)存上不需要是連續(xù)的，內(nèi)存使用的效率很高 以某些方式訪問某些頁面時(shí)可以觸發(fā)操作系統(tǒng)的中斷，操作系統(tǒng)可以趁這個(gè)機(jī)會(huì)修改頁表，這就給操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高級內(nèi)存管理功能打下了基礎(chǔ)
最后我們來說一下應(yīng)用程序怎么訪問外部設(shè)備的問題。我們說了，用戶模式下應(yīng)用程序無法直接訪問硬件設(shè)備，但如果完全沒法利用硬件設(shè)備，那就太不方便了。這兩者的權(quán)衡是，應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)使用硬件，也就是說應(yīng)用程序給操作系統(tǒng)發(fā)起請求，操作系統(tǒng)處理請求時(shí)將請求轉(zhuǎn)發(fā)到硬件，硬件響應(yīng)后，再將請求轉(zhuǎn)發(fā)回應(yīng)用程序。
許多硬件使用中斷和 DMA 來傳輸信號或數(shù)據(jù)。這種情況下，操作系統(tǒng)開始操作后，到硬件操作完成前會(huì)有一段空閑時(shí)間，這時(shí)候操作系統(tǒng)可以將當(dāng)前應(yīng)用程序掛起，先去執(zhí)行其他的應(yīng)用程序。當(dāng)硬件操作完成時(shí)，會(huì)觸發(fā)中斷，中斷向量表在內(nèi)存中，是操作系統(tǒng)提前設(shè)置好的，指向了操作系統(tǒng)自己的代碼；同時(shí)，這個(gè)中斷也會(huì)立即強(qiáng)迫 CPU 進(jìn)入特權(quán)模式。這時(shí)候操作系統(tǒng)就有機(jī)會(huì)來處理硬件返回的數(shù)據(jù)了，同時(shí)根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級，可以將之前掛起的進(jìn)程重新切換回來重新開始繼續(xù)執(zhí)行。
不同硬件往往有不同的接口，但操作系統(tǒng)會(huì)希望提供給應(yīng)用程序統(tǒng)一的接口，這中間就涉及到驅(qū)動(dòng)適配的問題，廠家的驅(qū)動(dòng)程序可以將通用的請求轉(zhuǎn)化為自己家硬件能識(shí)別的請求格式。
保護(hù)模式不意味著應(yīng)用程序訪問硬件的能力變?nèi)趿?，?shí)際上，應(yīng)用程序訪問硬件的能力完全取決于操作系統(tǒng)是否允許。別說是 Windows PE，實(shí)際上任意版本的 Windows 都是可以允許一個(gè)最高權(quán)限的用戶程序直接讀寫物理硬盤的（通過 CreateFileEx 的 Windows API 就可以，就跟打開一個(gè)普通文件一樣），唯一的問題在于 Windows 依賴很多磁盤文件，如果在普通 Windows 執(zhí)行過程中格式化系統(tǒng)盤，操作系統(tǒng)會(huì)崩潰，而 Windows PE 比較小，可以將重要的東西都整個(gè)加載到內(nèi)存里，就可以在保持操作系統(tǒng)正常工作的情況下格式化硬盤了。
完
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