[[375811]]

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「安琪拉的博客」，作者安琪拉 。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系安琪拉的博客公眾號(hào)。 

最近在重新梳理Java 并發(fā)的知識(shí)，這篇文章是為了后面講ReentrantLock做準(zhǔn)備的，先熱個(gè)身，隨著研究的深入，就來到了這里，要把一件事情講清楚，可以無限下鉆，就像物體->分子->原子->夸克，直到超出自己能理解的知識(shí)范疇。

前言

我們知道操作系統(tǒng)采用的是虛擬地址空間，以32位操作系統(tǒng)舉例，它的尋址空間為4G(2的32次方)，這里解釋二個(gè)概念:

1. 尋址: 是指操作系統(tǒng)能找到的地址范圍，32位指的是地址總線的位數(shù)，你就想象32位的二進(jìn)制數(shù)，每一位可以是0，可以是1，是不是有2的32次方種可能，2^32次方就是可以訪問到的最大內(nèi)存空間，也就是4G。
2. 虛擬地址空間：為什么叫虛擬，因?yàn)槲覀儍?nèi)存一共就4G，但操作系統(tǒng)為每一個(gè)進(jìn)程都分配了4G的內(nèi)存空間，這個(gè)內(nèi)存空間實(shí)際是虛擬的，虛擬內(nèi)存到真實(shí)內(nèi)存有個(gè)映射關(guān)系。例如X86 cpu采用的段頁式地址映射模型。

操作系統(tǒng)將這4G可訪問的內(nèi)存空間分為二部分，一部分是內(nèi)核空間，一部分是用戶空間。

內(nèi)核空間是操作系統(tǒng)內(nèi)核訪問的區(qū)域，獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序，是受保護(hù)的內(nèi)存空間。

用戶空間是普通應(yīng)用程序可訪問的內(nèi)存區(qū)域。

以linux操作系統(tǒng)為例，將最高的1G字節(jié)(從虛擬地址0xC0000000到0xFFFFFFFF)，供內(nèi)核使用，稱為內(nèi)核空間，而將較低的3G字節(jié)(從虛擬地址0x00000000到0xBFFFFFFF)，供各個(gè)進(jìn)程使用，稱為用戶空間。空間分配如下圖所示：

每個(gè)進(jìn)程可以通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核，因此，Linux內(nèi)核由系統(tǒng)內(nèi)的所有進(jìn)程共享。于是，從具體進(jìn)程的角度來看，每個(gè)進(jìn)程可以擁有4G字節(jié)的虛擬空間。

區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間原因

其實(shí)早期操作系統(tǒng)是不區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間的，但是應(yīng)用程序能訪問任意內(nèi)存空間，如果程序不穩(wěn)定常常把系統(tǒng)搞崩潰，比如清除操作系統(tǒng)的內(nèi)存數(shù)據(jù)。后來覺得讓應(yīng)用程序隨便訪問內(nèi)存太危險(xiǎn)了，就按照CPU 指令的重要程度對(duì)指令進(jìn)行了分級(jí)，指令分為四個(gè)級(jí)別：Ring0~Ring3 (和電影分級(jí)有點(diǎn)像)，linux 只使用了 Ring0 和 Ring3 兩個(gè)運(yùn)行級(jí)別，進(jìn)程運(yùn)行在 Ring3 級(jí)別時(shí)運(yùn)行在用戶態(tài)，指令只訪問用戶空間，而運(yùn)行在 Ring0 級(jí)別時(shí)被稱為運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，可以訪問任意內(nèi)存空間。

用戶態(tài)的程序不能隨意操作內(nèi)核地址空間，這樣對(duì)操作系統(tǒng)具有一定的安全保護(hù)作用。

說說內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)

其實(shí)很清晰：當(dāng)進(jìn)程/線程運(yùn)行在內(nèi)核空間時(shí)就處于內(nèi)核態(tài)，而進(jìn)程/線程運(yùn)行在用戶空間時(shí)則處于用戶態(tài)。

在內(nèi)核態(tài)下，進(jìn)程運(yùn)行在內(nèi)核地址空間中，此時(shí) CPU 可以執(zhí)行任何指令。運(yùn)行的代碼也不受任何的限制，可以自由地訪問任何有效地址，也可以直接進(jìn)行端口的訪問。

在用戶態(tài)下，進(jìn)程運(yùn)行在用戶地址空間中，被執(zhí)行的代碼要受到 CPU 的很多檢查，比如：進(jìn)程只能訪問映射其地址空間的頁表項(xiàng)中規(guī)定的在用戶態(tài)下可訪問頁面的虛擬地址。

我們來看下linux系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)：下面是內(nèi)核空間(寫成了內(nèi)存空間)

用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換

如上圖所示，所有系統(tǒng)資源的管理都是在內(nèi)存空間進(jìn)行的，也就是在內(nèi)核態(tài)去做的，那我們應(yīng)用程序需要訪問磁盤，讀取網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)，新建一個(gè)線程都需要通過系統(tǒng)調(diào)用接口，完成從用戶態(tài)到內(nèi)存態(tài)的切換。

比如我們 Java 中需要新建一個(gè)線程，new Thread( Runnable ...) 之后調(diào)用start() 方法時(shí), 看Hotspot Linux 的JVM 源碼實(shí)現(xiàn)，最終是調(diào)pthread_create 系統(tǒng)方法來創(chuàng)建的線程，這里會(huì)從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)完成系統(tǒng)資源的分配，線程的創(chuàng)建。

當(dāng)一個(gè)任務(wù)(進(jìn)程)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時(shí)，稱進(jìn)程處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)(內(nèi)核態(tài))

除了系統(tǒng)調(diào)用可以實(shí)現(xiàn)用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，還有別的方式嗎?有，軟中斷和硬中斷。

軟中斷是指進(jìn)程發(fā)生了異常事件;硬中斷就有很多種，例如時(shí)鐘周期、IO等。涉及的操作系統(tǒng)知識(shí)比較多，這里不展開講。