系统篇

内核

应用和底层硬件（CPU、内存、硬盘等）的连接桥梁。

用户态和内核态

CPU和进程可以在两种态下运行。
内核态可以直接访问所有硬件资源，用户态需要通过“系统调用”陷入到内核态才能否则只能访问用户空间地址的内存（虚拟内存）。

什么时候能从用户态陷入到内核态

就两字——中断！
中断可能是由于系统调用（用户态主动陷入）、异常（缺页、除0）、外设中断（硬盘读写完成等）三种情况产生。

什么是系统调用

程序需要访问硬件资源时候，例如内存、硬盘、网卡，就会“系统调用”陷入内核。
一次系统调用会发生两次CPU上下文切换（CPU上下文指的是CPU寄存器和程序计数器）
第一次是从用户态切换到内核态，寄存器原来是用户态的指令位置需要先保存起来，然后更新成内核态指令的位置，最后跳转去内核态执行任务。
第二次是内核态切换回用户态，寄存器恢复为用户态的指令位置，回到用户态运行进程。

用户态和内核态是如何切换的

每个进程都有两个栈，用户栈和内核栈。运行在哪个态就会使用哪个栈。
态的切换最重要的就是栈的切换！
实际上就是把用户态的一些寄存器值压入到内核态栈，从内核态返回时弹栈。

什么是中断？为什么要有中断（外设中断）

这是系统用来相应硬件设备请求的一种机制，会打断正在执行的进程，然后调用内核中的中断处理程序来响应请求。这是一种异步的处理事件的机制，可以提高系统的并发能力。
那为什么要有这个中断，举个例子，点了个外卖，没有中断（外卖员给你打电话）的话，你就得一直盯着（同步）或者隔三岔五（CPU轮询）看一眼外卖进度，这太耽误事了。有中断（外卖员到了打电话），你就可以心安理得干别的事情，等外卖来了你再停下去处理外卖。

什么是硬件中断和软件中断

Intel的CPU提供了三种中断程序执行的机制，分别是：

• 中断（interrupt）：点了下鼠标、敲了下键盘，这属于异步事件
• 异常（exception）：CPU执行指令时发现了错误，比如除0、缺页，这属于同步事件
• INT指令：INT指令后面跟了一个数字，相当于直接告诉CPU中断号。Linux用的是INT 0x80

前两者属于硬件中断，因为是硬件（外设或者CPU）自动触发的
INT指令属于软件中断，是程序触发的

什么是硬中断和软中断

由CPU硬件实现的中断机制是硬中断，中断、异常、INT指令都是CPU实现的中断机制
由软件实现的中断机制是软中断，比如Linux实现的软中断守护进程
二者效果相同都是中断当前程序而去执行中断处理程序，处理完返回执行原程序

为什么要有软中断

主要就是让硬中断尽可能简单，提高系统响应速度。
比如网卡接受处理数据包这种会比较慢，而硬中断资源很宝贵，占着不放会影响别的硬中断相应（比如鼠标卡了）。而且中断处理程序相应中断时候，可能会临时关闭中断，意味着一个中断没处理完，别的中断都不能被处理。这不行！！！
所以Linux将中断分为上下两部分

• 上半部分用来快速处理和硬件紧密相关或者时间敏感的时期
• 下半部分用来延迟处理上半部分未完成的工作，一般由内核守护进程完成。就是解耦了，异步处理。这一部分是通过对软中断标记数组的某一个位置做一个标记，然后内核守护进程会轮询看数组哪个位置被标记为1了。按照标记位去找对应的处理程序。