使用者態和核心態的區別

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你是世界的一杆稱，一頭重一頭輕。 –RuiDer

                      --大侄子的紀念日2018-8-27   

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本篇文章是我在學習Java的synchornized鎖底層原理時碰到的一個知識點，瞭解過synchornized底層原理的都會知道重量級鎖中執行緒的阻塞和喚醒操作，這兩種操作涉及到系統的呼叫，執行緒從使用者態和核心態的切換，其開銷非常大。

使用者態和核心態的區別（轉載）

    核心態與使用者態是作業系統的兩種執行級別,當程式執行在3級特權級上時，
就可以稱之為執行在使用者態，因為這是最低特權級，是普通的使用者程式運
行的特權級，大部分使用者直接面對的程式都是執行在使用者態；反之，當程
序執行在0級特權級上時，就可以稱之為執行在核心態。執行在使用者態下
的程式不能直接訪問作業系統核心資料結構和程式。當我們在系統中執行
一個程式時，大部分時間是執行在使用者態下的，在其需要作業系統幫助完
成某些它沒有權力和能力完成的工作時就會切換到核心態。 
這兩種狀態的主要差別是： 處於使用者態執行時，程式所能訪問的記憶體空間
和物件受到限制，其所處於佔有的處理機是可被搶佔的 ； 而處於核心態
執行中的程式，則能訪問所有的記憶體空間和物件，且所佔有的處理機是不
允許被搶佔的。 
通常來說，以下三種情況會導致使用者態到核心態的切換：

1）系統呼叫

這是使用者態程式主動要求切換到核心態的一種方式，使用者態程式通過系統
呼叫申請使用作業系統提供的服務程式完成工作，比如前例中fork()實
際上就是執行了一個建立新程式的系統呼叫。而系統呼叫的機制其核心還
是使用了作業系統為使用者特別開放的一箇中斷來實現，例如
Linux的int 80h中斷。

2）異常

當CPU在執行執行在使用者態下的程式時，發生了某些事先不可知的異常，這時
會觸發由當前執行程式切換到處理此異常的核心相關程式中，也就轉到了核心
態，比如缺頁異常。

3）外圍裝置的中斷

當外圍裝置完成使用者請求的操作後，會向CPU發出相應的中斷訊號，
這時CPU會暫停執行下一條即將要執行的指令轉而去執行與中斷信
號對應的處理程式，如果先前執行的指令是使用者態下的程式，那麼
這個轉換的過程自然也就發生了由使用者態到核心態的切換。比如硬
盤讀寫操作完成，系統會切換到硬碟讀寫的中斷處理程式中執行後
續操作等。

這3種方式是系統在執行時由使用者態轉到核心態的最主要方式，其中
系統呼叫可以認為是使用者程式主動發起的，異常和外圍裝置中斷則
是被動的。