# 用户态与内核态

## 定义

x86在硬件层面把代码的运行权限分成4级，编号0到3，通常称为保护环。当前代码所在的环记在段寄存器的CPL（当前特权级）字段中，CPU执行指令和访问内存时都按它检查权限。

| 特权级           | 常称  | 可执行的指令        | 内存访问       | 典型代码                |
| :------------ | :-- | :------------ | :--------- | :------------------ |
| Ring 0        | 内核态 | 包括特权指令在内的全部指令 | 由页表及硬件配置控制 | 内核核心代码：调度、内存管理、驱动   |
| Ring 3        | 用户态 | 只有非特权指令       | 由映射和权限控制   | 浏览器、编辑器、Python解释器   |
| Ring 1、Ring 2 | —   | 介于两者之间        | 介于两者之间     | 原本为驱动等中间层预留，主流系统不使用 |

运行在Ring 0的代码处于**内核态**，运行在Ring 3的代码处于**用户态**。Ring 1和Ring 2的设计初衷是给设备驱动一类中间层使用，但现代Linux与Windows基本只用Ring 0和Ring 3，把需要特权的操作全部收进内核。

部分需要较高特权级才能执行的指令称为**特权指令**。修改页表、用`cli`关中断、用`in`和`out`访问I/O端口都属于这一类。用户态执行特权指令不是被忽略，而是由CPU报错，交给内核处理。

## 性质

特权级限制某些指令，页表和其他硬件机制限制内存访问。用户态访问受保护的内核内存或执行受限指令时，处理器会产生异常，由操作系统决定后续处理；这不等于所有程序无响应或崩溃都由越权造成。

隔离依赖硬件配置和内核正确实现。用户程序可以通过[系统调用](/knowledge/cs/operating-systems/system-call/)请求受控服务，但不会因此获得任意内核权限。

## 交互探索

切换用户态与内核态，比较普通计算、特权指令和受保护内存访问。

交互演示：哪些操作受执行特权级限制？。在简化的用户态与内核态模型中比较操作权限。 请在站点操作演示。

## 练习

1. 在x86的4个特权级中，Linux内核代码通常运行在哪个环？

   * A.  Ring 0
   * B.  Ring 1
   * C.  Ring 2
   * D.  Ring 3

   答案：A

   内核需要执行修改页表、关中断等特权指令，必须处于权限最高的Ring 0；用户程序在Ring 3。

2. 下列哪些操作需要在内核态完成？

   * A.  修改页表
   * B.  关中断
   * C.  访问I/O端口
   * D.  两个整数相加

   答案：A、B、C

   修改页表、关中断和访问I/O端口都会改变机器全局状态或直接接触硬件，属于特权指令；整数加法在用户态就能执行。