用户态与内核态

概念

简单说，Kernel space 是 Linux 内核的运行空间，User space 是用户程序的运行空间。为了安全，它们是隔离的，即使用户的程序崩溃了，内核也不受影响。

权限区别

Kernel space 可以执行任意命令，调用系统的一切资源；User space 只能执行简单的运算，不能直接调用系统资源，必须通过系统接口（又称 system call），才能向内核发出指令。

str = "my string" // 用户空间
x = x + 2
file.write(str) // 切换到内核空间

y = x + 4 // 切换回用户空间

切换的代价

当程序中有系统调用语句，程序执行到系统调用时，首先使用类似int 80H的软中断指令，保存现场，去的系统调用号，在内核态执行，然后恢复现场。
每个进程都会有两个栈，一个内核态栈和一个用户态栈。当执行int中断执行时就会由用户态，栈转向内核栈。系统调用时需要进行栈的切换。
而且内核代码对用户不信任，需要进行额外的检查。
系统调用的返回过程有很多额外工作，比如检查是否需要调度等。

进程与线程

区别和联系

对于Linux来说，线程（轻量级进程）和进程在内核态本质上是同一个东西，它们最大区别就在于地址空间。
不同的进程拥有不同的地址空间，在切换的时候切换页目录以使用新的地址空间，而线程不需要，多个线程可以共享同一个进程的内存，所以线程的切换比进程的切换更高效。
另外，线程之间的通信也更简单的，直接通过共享的内存进行通信；而进程间的通信（管道、信号量、信号、SOCKET等）消耗较大且通信数据少。

用户态线程与内核态线程

请参考内核线程与用户线程的一点总结

多线程的代价

  • 设计更复杂（共享内存的并发问题）
  • 上下文切换开销（不同线程的CPU寄存器、计数器和状态的保存和载入）
  • 其他资源消耗（线程创建和消亡开销，切换的调度开销）

协程（goroutine）

协程存在于用户态，大量的协程实际上只占用了内核态的一个线程。
当协程数量和内核线程的数量不一致时，需要有调度器来维护所有的协程，尽可能让它们公平地使用CPU。
在go runtime有自己的调度器，主要使用了“work stealing”算法，调度器原理的形象解释参考goroutine与调度器以及goroutine的调度