用户模式和内核模式

首先我们要解释一个概念——进程（Process）。简单来说，一个可执行程序就是一个进程，前面我们使用C语言编译生成的程序，运行后就是一个进程。进程最显著的特点就是拥有独立的地址空间。

严格来说，程序是存储在磁盘上的一个文件，是指令和数据的集合，是一个静态的概念；进程是程序加载到内存运行后一些列的活动，是一个动态的概念。

前面我们在讲解地址空间时，一直说“程序的地址空间”，这其实是不严谨的，应该说“进程的地址空间”。一个进程对应一个地址空间，而一个程序可能会创建多个进程。

内核模式和用户模式

内核空间存放的是操作系统内核代码和数据，是被所有程序共享的，在程序中修改内核空间中的数据不仅会影响操作系统本身的稳定性，还会影响其他程序，这是非常危险的行为，所以操作系统禁止用户程序直接访问内核空间。

要想访问内核空间，必须借助操作系统提供的 API 函数，执行内核提供的代码，让内核自己来访问，这样才能保证内核空间的数据不会被随意修改，才能保证操作系统本身和其他程序的稳定性。

用户程序调用系统 API 函数称为系统调用（System Call）；发生系统调用时会暂停用户程序，转而执行内核代码（内核也是程序），访问内核空间，这称为内核模式（Kernel Mode）。

用户空间保存的是应用程序的代码和数据，是程序私有的，其他程序一般无法访问。当执行应用程序自己的代码时，称为用户模式（User Mode）。

计算机会经常在内核模式和用户模式之间切换

当运行在用户模式的应用程序需要输入输出、申请内存等比较底层的操作时，就必须调用操作系统提供的 API 函数，从而进入内核模式；

操作完成后，继续执行应用程序的代码，就又回到了用户模式。

总结：用户模式就是执行应用程序代码，访问用户空间；内核模式就是执行内核代码，访问内核空间（当然也有权限访问用户空间）。

为什么要区分两种模式

我们知道，内核最主要的任务是管理硬件，包括显示器、键盘、鼠标、内存、硬盘等，并且内核也提供了接口（也就是函数），供上层程序使用。当程序要进行输入输出、分配内存、响应鼠标等与硬件有关的操作时，必须要使用内核提供的接口。但是用户程序是非常不安全的，内核对用户程序也是充分不信任的，当程序调用内核接口时，内核要做各种校验，以防止出错。

从 Intel 80386 开始，出于安全性和稳定性的考虑，CPU 可以运行在 ring0 ~ ring3 四个不同的权限级别，也对数据提供相应的四个保护级别。不过 Linux 和 Windows 只利用了其中的两个运行级别：

一个是内核模式，对应 ring0 级，操作系统的核心部分和设备驱动都运行在该模式下。

另一个是用户模式，对应 ring3 级，操作系统的用户接口部分（例如 Windows API）以及所有的用户程序都运行在该级别。

为什么内核和用户程序要共用地址空间

既然内核也是一个应用程序，为何不让它拥有独立的4GB地址空间，而是要和用户程序共享、占用有限的内存呢？

让内核拥有完全独立的地址空间，就是让内核处于一个独立的进程中，这样每次进行系统调用都需要切换进程。切换进程的消耗是巨大的，不仅需要寄存器进栈出栈，还会使CPU中的数据缓存失效、MMU中的页表缓存失效，这将导致内存的访问在一段时间内相当低效。

而让内核和用户程序共享地址空间，发生系统调用时进行的是模式切换，模式切换仅仅需要寄存器进栈出栈，不会导致缓存失效；现代CPU也都提供了快速进出内核模式的指令，与进程切换比起来，效率大大提高了。

用户模式就是执行应用程度代码，访问用户空间；内核模式就是执行内核代码，访问内核空间（当然也有权限访问用户空间）。

下列表格展示了两种模式切换过程：

内核级线程（KLT）和用户级线程（ULT）

进程是资源拥有的基本单位，进程切换需要保存进程状态，会造成资源的消耗。同一进程中的线程，共享进程获取的部分资源。在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换，线程的切换需要的资源少于进程切换，可以提高效率。

内核级线程（Kernel-Level Threads）， KLT 也有叫做内核支持的线程

1、线程管理的所有工作（创建和撤销）由操作系统内核完成

2、操作系统内核提供一个应用程序设计接口API，供开发者使用KLT

用户级线程（User-Level Threads ULT）

1、用户空间运行线程库，任何应用程序都可以通过使用线程库被设计成多线程程序。线程库是用于用户级线程管理的一个例程包，它提供多线程应用程序的开发和运行支撑环境，包含：用于创建和销毁线程的代码、在线程间传递数据和消息的代码、调度线程执行的代码以及保存和恢复线程上下文的代码。

2、所以线程的创建，消息传递，调度，保存/恢复上下文都有线程库来完成。内核感知不到多线程的存在。内核继续以进程为调度单位，并且给该进程指定一个执行状态（就绪、运行、阻塞等）。

jacketing技术可以解决用户级线程ULT一个线程阻塞导致整个进程阻塞。

jacketing的目标是把一个产生阻塞的系统调用转化成一个非阻塞的系统调用。例如,当进程中的一个线程调用IO中断前，先调用一个应用级的I/O jacket例程，而不是直接调用一个系统I/O。让这个jacket例程检查并确定I/O设备是否忙。如果忙，则jacketing将控制权交给该进程的线程调度程序，决定该线程进入阻塞状态并将控制权传送给另一个线程（若无就绪态线程咋可能执行进程切换）。

线程实现的组合策略

可以看出，用户级线程和内核级线程都有各自的优点和缺点，在应用上主要表现为：

1、用户级多线程对于处理逻辑并行性问题有很好的效果。不擅长于解决物理并发问题。

2、内核级多线程适用于解决物理并行性问题。

组合策略

由操作系统内核支持内核级多线程，由操作系统的程序库来支持用户级多线程，线程创建完全在用户空间创建，现成的调度也在应用程序内部进行，然后把用户级多线程映射到（或者说是绑定到）一些内核级多线程。

编程人员可以针对不同的应用特点调节内核级线程的数目来达到物理并行性和逻辑并行性的最佳方案。