操作系统——用户态与内核态、同步与异步、阻塞与阻塞

什么是用户态与内核态

计算机系统中，通常 CPU 执行两种不同性质的程序代码：一种是操作系统内核程序（管理程序）；另一种是用户自编程序（即系统外层的应用程序，或简称 “应用程序”）。CPU 运行这两种不同性质的程序，就是操作系统中最基本的两种运行模式：用户态和内核态。

先来说一些废话

程序执行目的就是操作计算机中的各种硬件资源，每个程序最终都会编程二进制语言来操作硬件，从而实现某种具体功能。这样一说，好像可以不用操作系统，每个程序自己就是操作系统了。行吗？肯定不行啊。应用程序大多是高级语言编写的，你会将高级语言编译成二进制语言吗？这时你会说“我不会”，但有牛人会编写，并提供编译工具给大家使用。好，即使你的程序已经转换成二进制语言了，那你知道接下来如何和硬件进行交互来操作硬件，这么多程序都要来使用有限的硬件，那到底是给你用还是给他用，谁有权力管理这些硬件资源、制定使用规则。这时你又会说“我不会”，但总牛人知道怎么和硬件交互，有这个能力来编写代码来统一管理资源并制定使用规则，我们这些普通人达成共识都遵循他的规则就行。这…我无法反驳了，因为这个牛人编写的代码就是操作系统了。

操作系统可以让你编写的应用程序代码与硬件交互，同时管理不同应用程序如何有序使用硬件资源，所有应用程序都是运行在操作系统之上的。所以一定要保证操作系统安全运行，才能确保上层应用程序正常运行。

操作系统经过这么多年的发展，由优秀科技人才经过深思熟虑写出来的程序，肯定比应用程序代码逻辑要严格。（形象化例子）既然大家都认同我（操作系统），我就有权利和责任让大家稳定运行，那大家就应该遵循和支持我制定的规则，并在我制定的规则内运行。我也想尽最大努力让大家方便快速地使用所需硬件资源，但这些资源都是有限的，怎么管理和使用（各种硬件的使用、内存管理、进程管理等），大家都不清楚，所以这些资源和功能我不能都对大家开放，我需要统一管理起来，才能合理分配，有什么需求就告诉我，我知道怎么使用这些资源并计算得到你想要的结果，你只需要在外面等我一会儿，我就会把结果返回给你。

什么是用户态和内核态？

程序运行其实是CPU处理计算这段程序代码，所以更好的理解用户态和内核态，可以从CPU的角度去看待。

• 当CPU在计算用户应用程序代码时，此时CPU所处状态就是用户态；
• 当CPU在计算操作系统内核代码时，此时CPU所处状态就是内核态。

即用户态是普通应用程序运行的模式，内核态是操作系统内核运行的模式。

为什么要区分用户态或内核态这两种运行模式？

在用户态下，程序只能访问自己分配的内存空间，不能直接访问操作系统内核提供的资源，如硬件设备、内存管理、进程管理等。内核负责管理硬件设备、进程调度、内存管理、文件系统等核心功能，内核态就是为了保证系统安全、稳定运行。从下面几个角度对比：

1. 安全性和稳定性：
   如果所有的程序都运行在最高特权级别的内核态，一个程序的错误或恶意行为都可能导致整个系统崩溃。
   通过将应用程序限制在用户态，即使出现错误也不会直接影响到整个操作系统的稳定性。
2. 资源访问控制：
   内核拥有对硬件资源的完全控制权，包括CPU、内存、外设等。
   如果所有程序都直接访问硬件资源，将会造成资源的冲突和安全隐患。
   通过用户态和内核态的隔离，操作系统可以有效地管理和调度系统资源的访问。
3. 系统调用机制：
   用户态程序需要通过系统调用来请求操作系统内核提供的服务，如文件读写、进程管理等。
   系统调用是用户态程序与内核交互的主要方式，它提供了一个受控的接口，保证了系统的安全性。

用户态与内核态切换：

前面说了用户态与内核态是CPU执行的两种状态，好像CPU可以随意切换去执行用户程序还是应用程序。这当然是可以的，但要考虑CPU在这两种状态下切换所带来的开销对系统性能的影响。

当发生用户态到内核态的切换时，CPU需要保存当前用户态进程的执行状态（如寄存器、程序计数器等），这样再切回来时才能知道上次执行到哪里了，同时还要加载内核态进程的执行状态。同样，从内核态切换回用户态时，也需要进行相反的上下文切换操作。上下文切换需要大量的内存读写操作，会消耗CPU和内存带宽，造成一定的性能损耗。

其次，用户态程序和内核态程序访问内存的方式不同，用户态程序的内存访问受到限制，而内核态程序可以访问全部内存空间。
在切换的过程中，CPU需要切换内存管理单元(MMU)的页表设置，以适应不同的内存访问模式。这种切换也需要消耗一定的CPU时间和资源。以及指令集切换、系统调用都会造成性能开销。

同步与异步、阻塞与非阻塞

同步与异步、阻塞与非阻塞这两个概念经常看见，很容易混淆，所以在这里通过对比的方式解释并比较两者的区别：

1. 对象
   • 同步与异步是指用户空间程序调用内核空间程序的发起方式，针对的是两个对象调用关系；
   • 阻塞与非阻塞指的是用户空间程序的一种执行状态，针对的是用户空间程序的执行状态。
2. 目的
   • 同步与异步的目的是调用方获取被调用方返回的结果，但获取方式存在区别：
     • 同步：A 调用 B，由调用方 A 盲目主动询问 B 操作是否完成并获取返回结果的方式；
     • 异步：A 调用 B，由被调用方 B 主动回调或通知调用方任务已完成并获取返回结果的方式；
   • 阻塞与非阻塞的目的是用户空间程序是否继续执行。
     • 阻塞：用户空间程序调用某个耗时操作，用户空间程序需要等待这个操作完成才能继续执行；
     • 非阻塞：用户空间程序调用某个耗时操作，不需要等待这个操作完成就可以继续执行面的程序。

总结起来：同步与异步关注的是调用方获取被调用方响应结果的方式：同步（调用方主动获取）、异步（回调或通知，即调用方被动接收）；阻塞与非阻塞关注的是调用方在调用耗时操作（被调用方）时，自己本身的执行情况：阻塞（操作未完成，调用方原地等待，不执行后面的程序），非阻塞（操作未完成，调用方先跳过，继续执行后面的程序）。

四种组合方式

同步与异步、阻塞与非阻塞可以有四种组合方式：同步阻塞、同步非阻塞、异步阻塞和异步非阻塞，下面已IO操作为例进行简单讲解：

1. 同步阻塞(Synchronous Blocking)
   特点：线程发起I/O操作后，线程会被阻塞，直到I/O操作完成获取同步结果。
   缺点：线程在等待I/O期间无法做其他事情，系统吞吐量较低。
2. 同步非阻塞(Synchronous Non-Blocking)
   特点：线程发起I/O操作后立即返回，线程不阻塞，I/O操作未完成期间，线程可以继续执行其他任务，需要主动轮询检查I/O操作是否完成。
   缺点：需要自己实现轮询机制，增加了编程复杂度。
3. 异步阻塞(Asynchronous Blocking)
   特点：线程发起I/O操作后，线程会被阻塞，直到I/O操作完成，通过IO回调或通知等异步方式告知线程获取结果。
   缺点：这种毫无意义。线程在IO操作期间已被阻塞，异步通知完全是多余，直接等待同步获取结果就可以了。
4. 异步非阻塞(Asynchronous Non-Blocking)
   特点：线程发起I/O操作后立即返回，线程不阻塞，线程可以继续执行其他任务，通过IO回调等异步方式通知线程获取结果。不要线程主动轮询，减轻了线程的负担。
   缺点：需要实现异步通知机制，编程复杂度较高。