Linux系统的整体架构：用户态和内核态
简单说架构2019-07-02 13:12
Linux系统的整体架构：用户态和内核态。线程等待的两种方式：阻塞和自旋。
开始
今天，我们来聊一聊Linux系统的整体架构和线程等待的两种方式。
Linux的系统架构
Linux系统架构宏观上来说，上图很好的反应了Linux操作系统的架构图。首先，Linux系统包含一个内核，内核，实质是一个软件，特殊的地方在于，内核具备直接操纵CPU资源，内存资源，I/O资源等的能力。
内核之外是系统调用。系统调用这层，相当于内核增加了一层封装。将内核操作的复杂性封装起来，对外层提供透明的调用。系统调用可以理解为操作系统的最小功能单位，所有有应用程序，都是将通过将系统调用组合而成的。
系统调用之外，就是应用程序，各种各样的应用程序。特殊的有两个，一个是Shell，它是一个特殊的应用程序，俗称命令行。类似于windows的cmd，是一个命令解释器。有些应用程序是基于Shell做的，而不是基于系统调用。另一个特殊的是公用函数库。系统调用是操作系统的最小功能单位，一个Linux系统，根据版本不同，大约包含240~260个系统调用。为了使得操作更为简单，更加便于应用程序使用，Linux系统对系统调用的部分功能进行了再次封装，形成了公用函数库，以供应用程序调用。公用函数库中的一个方法，实质是若干个系统调用以特定的逻辑组合而成。
用户态和内核态
Linux的架构中，很重要的一个能力就是操纵系统资源的能力。但是，系统资源是有限的，如果不加限制的允许任何程序以任何方式去操纵系统资源，必然会造成资源的浪费，发生资源不足等情况。为了减少这种情况的发生，Linux制定了一个等级制定，即特权。Linux将特权分成两个层次，以0和3标识。0的特权级要高于3。换句话说，0特权级在操纵系统资源上是没有任何限制的，可以执行任何操作，而3，则会受到极大的限制。我们把特权级0称之为内核态，特权级3称之为用户态。
一个应用程序，在执行的过程中，会在用户态和内核态之间根据需要不断切换的。因为，如果只有用户态，那么必然有某些操纵系统资源的操作很难完成或不能完成，而如果一直都在内核态，那事实上，导致特权的分层失去了意义。大家全是最高权限，和大家都没有限制，没有什么区别。
所以，应用程序一般会运行于用户态，会在需要的时候，切换成内核态，完成相关任务后，会再切换加用户态。需要注意的是，一种切换是有一定系统开销的。
应用程序一般会在以下几种情况下切换到内核态：
1． 系统调用。
2． 异常事件。当发生某些预先不可知的异常时，就会切换到内核态，以执行相关的异常事件。
3． 设备中断。在使用外围设备时，如外围设备完成了用户请求，就会向CPU发送一个中断信号，此时，CPU就会暂停执行原本的下一条指令，转去处理中断事件。此时，如果原来在用户态，则自然就会切换到内核态。
线程等待
说到线程等待，很快就会想到阻塞。但是，其实线程等待不一定是阻塞，还有可能是自旋。
要阻塞或唤醒一个线程，就会消耗较多的系统资源，因为这种操作是需要操作系统介入的，自然就会发生用户态和核心态之间的切换，就会消耗大量系统资源。当这种操作高频发生时，就会消耗大量的CPU处理时间。那么，有什么方案可以解决这种问题吗？有。方案是：让子弹飞一会儿。
假设A线程有对资源Z加锁，但此时发现资源Z已经被线程B锁定，此时，一种方案是A进入阻塞状态，等待B释放锁。但是，我们如果事先知道，线程B对资源Z的加锁状态持续时间很短，那么，A其实没必要阻塞，等一等就好了。类似于执行一段空循环。这样，就避免了线程的阻塞和唤醒，也就避免了用户态和内核态的切换。这就是自旋。当然，自旋也需要消耗一定的计算资源，但是比较阻塞来说，就要好太多了。当然，这种方案是基于B的加锁状态不会持续太久，且不会有太多线程同时竞争同一资源的场景下的。换句话说，是基于乐观锁而设计的。
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