系統篇

內核

應用和底層硬件（CPU、內存、硬盤等）的連接橋梁。

用戶態和內核態

CPU和進程可以在兩種態下運行。
內核態可以直接訪問所有硬件資源，用戶態需要通過“系統調用”陷入到內核態才能否則只能訪問用戶空間地址的內存（虛擬內存）。

什么時候能從用戶態陷入到內核態

就兩字——中斷！
中斷可能是由于系統調用（用戶態主動陷入）、異常（缺頁、除0）、外設中斷（硬盤讀寫完成等）三種情況產生。

什么是系統調用

程序需要訪問硬件資源時候，例如內存、硬盤、網卡，就會“系統調用”陷入內核。
一次系統調用會發生兩次CPU上下文切換（CPU上下文指的是CPU寄存器和程序計數器）
第一次是從用戶態切換到內核態，寄存器原來是用戶態的指令位置需要先保存起來，然后更新成內核態指令的位置，最后跳轉去內核態執行任務。
第二次是內核態切換回用戶態，寄存器恢復為用戶態的指令位置，回到用戶態運行進程。

用戶態和內核態是如何切換的

每個進程都有兩個棧，用戶棧和內核棧。運行在哪個態就會使用哪個棧。
態的切換最重要的就是棧的切換！
實際上就是把用戶態的一些寄存器值壓入到內核態棧，從內核態返回時彈棧。

什么是中斷？為什么要有中斷（外設中斷）

這是系統用來相應硬件設備請求的一種機制，會打斷正在執行的進程，然后調用內核中的中斷處理程序來響應請求。這是一種異步的處理事件的機制，可以提高系統的并發能力。
那為什么要有這個中斷，舉個例子，點了個外賣，沒有中斷（外賣員給你打電話）的話，你就得一直盯著（同步）或者隔三岔五（CPU輪詢）看一眼外賣進度，這太耽誤事了。有中斷（外賣員到了打電話），你就可以心安理得干別的事情，等外賣來了你再停下去處理外賣。

什么是硬件中斷和軟件中斷

Intel的CPU提供了三種中斷程序執行的機制，分別是：

• 中斷（interrupt）：點了下鼠標、敲了下鍵盤，這屬于異步事件
• 異常（exception）：CPU執行指令時發現了錯誤，比如除0、缺頁，這屬于同步事件
• INT指令：INT指令后面跟了一個數字，相當于直接告訴CPU中斷號。Linux用的是INT 0x80

前兩者屬于硬件中斷，因為是硬件（外設或者CPU）自動觸發的
INT指令屬于軟件中斷，是程序觸發的

什么是硬中斷和軟中斷

由CPU硬件實現的中斷機制是硬中斷，中斷、異常、INT指令都是CPU實現的中斷機制
由軟件實現的中斷機制是軟中斷，比如Linux實現的軟中斷守護進程
二者效果相同都是中斷當前程序而去執行中斷處理程序，處理完返回執行原程序

為什么要有軟中斷

主要就是讓硬中斷盡可能簡單，提高系統響應速度。
比如網卡接受處理數據包這種會比較慢，而硬中斷資源很寶貴，占著不放會影響別的硬中斷相應（比如鼠標卡了）。而且中斷處理程序相應中斷時候，可能會臨時關閉中斷，意味著一個中斷沒處理完，別的中斷都不能被處理。這不行！！！
所以Linux將中斷分為上下兩部分

• 上半部分用來快速處理和硬件緊密相關或者時間敏感的時期
• 下半部分用來延遲處理上半部分未完成的工作，一般由內核守護進程完成。就是解耦了，異步處理。這一部分是通過對軟中斷標記數組的某一個位置做一個標記，然后內核守護進程會輪詢看數組哪個位置被標記為1了。按照標記位去找對應的處理程序。