理解用戶模式和內核模式(譯)

###理解用戶模式和內核模式

本文出處: http://blog.codinghorror.com/understanding-user-and-kernel-mode/

絕大多數的操作系統都可以顯示CPU的使用情況。在Windows上，我們可以使用任務管理器(Task Manager)查看.

CPU的使用率(CPU Usage)大體上可以表示CPU花在處理非空閑任務的時間的比率。這只是一種簡化的說法。實際上，在所有的現代操作系統中，CPU是在兩種不同的模式下運行的:

1. Kernel Mode
   在內核模式下，代碼具有對硬件的所有控制權限。可以執行所有CPU指令，可以訪問任意地址的內存。內核模式是為操作系統最底層，最可信的函數服務的。在內核模式下的任何異常都是災難性的，將會導致整臺機器停機。

2. User Mode
   在用戶模式下，代碼沒有對硬件的直接控制權限，也不能直接訪問地址的內存。程序是通過調用系統接口(System APIs)來訪問硬件和內存的。在這種保護模式下，即時程序發生崩潰也是可以恢復的。在你的電腦上大部分程序都是在用戶模式下運行的。

如上圖所示，可以讓任務管理器顯示內核的CPU占用時間。綠色的線表示總的CPU時間，紅色的線表示內核使用的CPU時間，兩者之間的間隔就是用戶程序使用的CPU時間。

上面所說的兩種模式不僅僅是字面上的區別，它們是受CPU嚴格制約的。如果在用戶模式下，程序嘗試做些其權限以外的事情，比如說，執行一條高權限的CPU指令，修改其被禁止訪問的內存，這時一個可捕獲的異常就會拋出。但這只會導致這個倒黴的應用程序崩潰，而不會讓你的整個系統崩潰。這就是用戶模式的意義所在。

x86 CPU提供4種保護層級: 0, 1, 2 and 3. 實際上，只用0級(內核)和3級(用戶程序)被使用到了。

有點讓人疑惑的是，如果我們只使用了兩種保護層級(內核，用戶程序)，那些可以讓我們訪問顯卡，鍵盤，鼠標，打印機的設備驅動代碼應該在哪層運行。為了最佳的性能，設備代碼應該運行在內核模式？還是為了追求穩定，讓它們運行在用戶模式下？至少在Windows操作系統上，答案得視情況而定。設備驅動代碼可以運行在用戶模式，也可以運行在內核模式。如今，大多數的設備驅動代碼都運行在用戶模式下，當然也有例外，為了最佳的性能，顯卡驅動是運行在內核模式下的。不過時代在變，在Windows Vista系統中，顯卡驅動就已經被分成了用戶段和內核段。這或許也是為什麽會有遊戲開發人員抱怨Vista平臺上的遊戲的性能會低上10%左右。

這些模式之間的界限一直不是很明確。什麽樣的代碼應該運行在用戶模式下？什麽樣的代碼應該運行在內核模式下？或者我們可以再加一個地下室，虛擬化的要求催生了一個新的保護層級，-1級，在所有保護層級之下，這就是我們熟知的x86的硬件層虛擬化。

用戶模式總的來說是有益無害的，但是代價卻是昂貴的。在用戶模式和內核模式之間的轉換代價是非常高的。比如說，程序拋出異常通常都是很耗時的。異常意味著模式的轉換。當然了，如今的計算機的資源如此豐富，我們很少去關心模式轉換的代價。可是，當你的程序需要的資源變多時，你就需要為這些事操心了。

區分用戶模式和內核模式最典型的例子應該要數webserver了。在一些開源的web服務器將代碼放在內核模式運行而贏得行業benchmark的勝利後，Microsfot也將IIS 6一些核心的功能移到內核模式下運行。如果你要問我的看法的話，我會說這是一場沒有意義的較量，因為雙方都只是針對靜態的HTML做了內核優化。但就是這樣，不管是針對benchmark還是其它的競爭。

CPU對用戶模式和內核模式的嚴格限制對於用戶來說是透明的，其實也就是程序經常崩潰和電腦經常崩潰的區別。這就是我們這些寫出崩潰代碼的程序員們口中所說的”進步”。所以，我代表各地的程序員們，對”用戶模式”說句謝謝。你真棒！

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