操作系统面试题, 什么是用户态和内核态?
操作系统面试题, 什么是用户态和内核态?
QA
Step 1
Q:: 什么是用户态和内核态？
A:: 用户态（User Mode）是应用程序运行的模式，在该模式下，程序无法直接访问硬件资源，如CPU、内存、I/O设备等，所有对硬件的操作都必须通过系统调用间接完成。内核态（Kernel Mode）是操作系统核心代码运行的模式，操作系统在内核态下可以直接访问硬件资源。用户态和内核态的分离可以提高系统的稳定性和安全性，因为应用程序无法直接操作硬件资源，从而防止对系统的恶意破坏。
Step 2
Q:: 为什么需要用户态和内核态的切换？
A:: 用户态和内核态的切换是为了保护操作系统内核的安全性和稳定性。用户程序只能在用户态下执行，当需要访问硬件资源或执行特权操作时，必须通过系统调用切换到内核态。操作系统完成这些操作后，再将程序切换回用户态继续执行。通过这种机制，可以防止用户程序直接访问或篡改操作系统内核，保障系统的安全和稳定。
Step 3
Q:: 什么是系统调用？
A:: 系统调用是用户态程序与操作系统内核交互的接口。用户态程序通过系统调用请求操作系统内核执行特定的操作，如文件读写、内存分配、进程控制等。系统调用的实现通常通过软中断或陷阱指令，将控制权交给操作系统内核。内核在执行完请求的操作后，再将控制权交还给用户态程序。系统调用是用户态程序访问硬件资源和操作系统服务的唯一合法途径。
Step 4
Q:: 什么是上下文切换？
A:: 上下文切换是指操作系统在不同的进程或线程之间切换CPU执行权的过程。每个进程或线程都有自己独立的运行环境，包括寄存器、程序计数器、堆栈指针等。当操作系统决定暂停当前进程/线程并切换到另一个进程/线程时，需要保存当前进程/线程的运行状态（上下文），然后加载新进程/线程的运行状态，最后将CPU的执行权交给新进程/线程。这一过程称为上下文切换。
Step 5
Q:: 用户态程序如何发起系统调用？
A:: 用户态程序发起系统调用通常通过触发软中断或执行陷阱指令。具体步骤包括：1) 用户态程序将系统调用号和参数存入预定的寄存器或栈中；2) 触发软中断或执行陷阱指令，这会导致CPU进入内核态并调用对应的内核函数；3) 内核函数根据系统调用号和参数执行相应操作；4) 操作完成后，内核将结果返回给用户态程序，并切换回用户态继续执行。