系统结构 – 大华编程空间

系统结构（用户态和内核态、中断、系统调用）
进程管理（进程和线程、线程和协程、进程间通信、多线程并发和同步）
内存管理（虚拟内存、分页分段、内存映射、写时复制）
I/O系统（五种I/O模型、I/O多路复用）
Linux命令（ps、top、grep、netstate）

存储结构

1、为什么计算机要给储存结构分级？

不同级别的储存结构具有不同的访问速度，CPU访问CPU Cache的延时只需要几纳秒，访问物理内存的延时则100纳秒，速度相差100倍，访问磁盘延时就更高了，已经到毫秒级，但是访问速度越快的存储器，造价成本就越高，容量也小很多。

通过分级存储结构，可以将数据按照不同的访问速度、容量和成本要求进行管理，CPU Cache用于存储近期频繁访问的数据，内存用于存储当前执行的程序和数据，而硬盘则用于存储大量数据和长期存储。

1分秒= 10厘秒；1厘秒= 10 毫秒；1 毫秒= 1000微秒；1微秒= 1000纳秒；1纳秒= 1000皮秒。

2、CPU CacheL1 L2 L3读取数据的时间量级差距有多大？

差距不大，都是纳秒级别，CPU访问L1 Cache大概延时是1-2纳秒，访问L2 Cache大概延时5-10纳秒，访问L3 Cache大概延时10-30纳秒。

3、CPU Cache对程序性能的影响体现在哪？

程序具有局部性原理，如果一个数据被访问，那么附近的数据很可能也会被访问到，CPU Cache就是基于这个局部性原理，在访问数据的时候，如果访问的数据不在CPU Cache中，不会只存内存读这一个数据，而是会从内存连续加载数据到CPU Cache，这样相邻的数据都会被缓存在CPU Cache，那么程序在访问相邻数据的时候，相邻数据就可以直接在缓存中命中，无需访问内存，可以提高访问的效率。

内核态

1、什么是内核？

计算机是由各种外部硬件设备组成的，比如内存、CPU、硬盘等，如果每个应用都要和这些硬件设备对接通信协议，那这样太累了，所有由内核作为中间人，让内核作为应用连接硬件设备的桥梁，应用程序只需要关心与内核交互，不用关心硬件的细节。

内核是操作系统的核心组件，负责管理系统资源、提供硬件抽象层、调度任务和实现进程间通信等功能。内核是系统中第一个加载的程序，并拥有最高的特权级别，控制整个系统的运行和资源分配。它与用户空间程序交互，提供系统调用的接口，实现了操作系统的基本功能。

2、内核态和用户态有什么区别？为什么要区分内核态和用户态？

在CPU的所有指令中，有一些指令是非常危险的，如果错用，将导致整个系统崩溃，比如：清空内存、修改时钟等。如果所有的程序代码都能直接使用这些指令，那么我们的系统可能一天死n次。

所以，CPU将指令分为特权指令和非特权指令。

CPU的特权分级从内到位为Ring0、Ring1、Ring2、Ring3 。根据分级机制，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间。

内核空间（Ring0）具有最高权限，可以直接访问所有硬件资源，比如硬盘、网卡、内存等。
用户空间（Ring3）只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入内核态中，才能访问这些特权资源。

为什么要区分用户态和内核态呢？这是为了实现操作系统的核心功能和保证系统的稳定性、安全性以及资源的合理分配。通过区分内核态和用户态，操作系统可以：

提供一种安全机制，限制用户程序对系统资源的直接访问，防止恶意程序对系统造成破坏。
实现操作系统的核心功能，如管理进程、文件系统、内存管理等，这些功能需要再内核态下进行。
实现多任务并发执行，通过在内核态和用户态之间进行，操作系统可以在不同应用程序之间共享处理器资源，实现任务的并发执行。

3、什么时候会由用户态陷入内核态？

应用程序执行系统调用的时候，会触发一个软件中断（比如 int指令），会进入内核态执行相应的内核代码，完成后再返回用户态。（用户态主动要求切换到内核态的一种方式）
当应用程序发生异常情况，如访问非法内存、除零错误等，CPU会触发一个异常，将控制权转移到内核态的异常处理程序中。
当系统接收到外部设备的中断信号，如硬件设备的输入输出请求、定时器中断等，处理器会中断当前的执行，进入内核态执行相应的中断处理程序。

4、系统调用的过程？

执行系统调用的时候，先将系统调用名称转换为系统调用号，接着将系统调用号和请求的参数放到寄存器中，然后执行软件中断命令（int $0x80指令），CPU会从用户态切换到内核态。
CPU跳转到中断处理程序，先将当前用户态的寄存器（用户态的代码段、数据段、保存参数的寄存器）压入到内核栈中，接着根据系统调用号从系统调用表中找到对应的系统调用函数，并将寄存器中保存的参数取出，作为函数参数，然后在内核中执行系统调用函数。
执行完系统调用后，执行中断返回指令(iret指令)，内核栈会弹出之前保存的寄存器，将原来用户态保存的现场恢复回来，包含代码段、指令指针寄存器等。这时候CPU恢复到用户态，用户态进程恢复执行。

一次系统调用的过程中，会发生两次CPU上下文切换（CPU上下文，就是CPU寄存器和程序计数器）：

第一次CPU上下文切换是从用户态到内核态：CPU寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，为了执行内核态代码，CPU寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。
第二次CPU上下文切换是从内核态切换到用户态：CPU寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。

5、用户态和内核态是如何切换的？

linux系统中每个进程都有两个栈，分别是用户栈和内核栈，当应用程序在用户态的时候，就会使用用户栈，当应用程序运行在内核态的时候，就会使用内核栈。

内核态与用户态的相互转换，最重要的就是用户栈和内核栈的切换。

1、用户栈到内核栈

执行中断指令（int $0x80指令），中断发生时，CPU去一个特定的结构中（如TSS），获取该进程的内核栈的地址信息，也就是内核栈的段选择子和栈顶指针(描述内核栈在内存的那个地址空间)，并分别送入ss寄存器和rsp寄存器，这时候CPU就指向了该进程的内核栈的栈顶位置，这就完成了用户态到内核态的一次栈的切换。（解析ss、rsp寄存器的作用）
然后，IP寄存器(指令指针寄存器)跳入终中断服务程序开始执行，中断服务程序会把用户态的所有寄存器压入到内核栈中，如下，CPU自动将用户态栈的段选择子ss3和栈顶指针rsp3都放到内核态栈里。这里3表示特权级，0,3 。