操作系统内核与态切换
本文整理内核的职责与分类，以及用户态/内核态的划分、系统调用切换过程和用户态线程与内核态线程的映射模型。
一、内核的职责
内核（Kernel）是操作系统连接应用与硬件的桥梁，至少提供以下 4 种基本能力：
- 进程/线程管理：决定哪个进程、线程使用 CPU。
- 内存管理：决定内存如何分配与使用。
- 硬件设备连接：为进程与设备之间提供通信能力。
- 系统调用：接收进程发起的系统调用请求。
操作系统通常分为三层：最底层硬件设备抽象、中间的内核、最上层应用。
内核的工作模型
进程与内核之间采用类似请求/响应的模型：进程向内核发起请求，让出 CPU 执行权限；内核接手 CPU，完成请求后再将执行权限交还调用进程。这一隔离是必需的——内核可直接访问全部内存、管理所有进程，必须与进程之间保持权限边界。
二、内核的分类
宏内核（Monolithic Kernel）
Linux 采用宏内核架构：内核是一个完整的可执行程序，以最高权限运行，文件系统、驱动、内存管理等大多打包在内核中。现代 Linux 支持动态加载内核模块，无需重新编译内核即可安装驱动。
微内核（Microkernel）
微内核只保留最基本能力（进程调度、虚拟内存、中断），驱动、文件系统等多数功能放在用户空间管理。其优势是体积小、可移植性强；代价是驱动与硬件交互需频繁进行内核态切换，性能开销较大。
混合内核（Hybrid Kernel）
架构上抽象出微内核（内部有最小内核模块），但实现上用宏内核方式——整体作为一个完整程序，包含大量功能。Windows NT 属于混合内核。
三、Linux 与 Windows 内核对比
| 维度 | Linux | Windows NT |
|---|---|---|
| 内核类型 | 宏内核 | 混合内核 |
| 开源 | 是 | 否 |
| 可执行文件格式 | ELF（Executable and Linkable Format） | PE（Portable Executable，.exe/.dll/.sys） |
| 多任务/多处理 | 支持 Multitask、SMP | 支持 Multitask、SMP |
| 虚拟化 | KVM 等 | Hyper-V |
两者均支持对称多处理（SMP）：各处理器地位平等，共享内存与硬件资源，任务可被调度到任意处理器执行。
ELF 将可执行文件划分为多个段（Segment），每段有特定用途；PE 结构与之相通。
四、用户态与内核态
内核运行在超级权限模式（Supervisor Mode），内存因此被划分为两部分：
- 内核空间（Kernel Space）：仅内核程序可访问。
- 用户空间（User Space）：专供应用程序使用。
用户空间代码被限制只能使用一个局部内存空间，称为运行在用户态（User Mode）；内核空间代码可访问全部内存，称为运行在内核态（Kernel Mode）。
系统调用过程
用户态程序需要执行特权指令时必须切换到内核态。过程如下（图中 Trap 即一种中断）：
- 用户态程序发起系统调用，因权限不足触发 Trap（中断）。
- CPU 跳转至中断处理程序，内核开始处理系统调用。
- 内核处理完成后主动触发 Trap，再次中断切换回用户态。
五、进程与线程
应用程序启动后在内存中创建执行副本，即进程。进程可分成用户态进程（应用程序副本）与内核态进程（内核自身进程）。现代操作系统以**线程（Thread，轻量级进程 LWP）**为执行单位，一个进程可拥有多个线程。
线程的创建位置有两种选择：用户态（用户空间 API）或内核态（系统调用）。
六、用户态线程与内核态线程
用户态线程（User Level Thread）
完全在用户空间创建，内核不知其存在。
优势：
- 管理开销小，创建/销毁无需系统调用；
- 切换成本低，由用户空间程序自行维护调度。
劣势：
- 与内核协作成本高：进行 I/O 时需频繁切换内核态；
- 线程间通信需经 I/O 与系统调用，额外成本高；
- 无法利用多核：操作系统只调度所属进程，进程内多线程只能并发执行一个；
- 操作系统无法感知阻塞：某用户态线程阻塞时，OS 不会切换其他线程，造成资源浪费。
内核态线程（Kernel Level Thread）
执行在内核态，通过系统调用创建。
优势：
- 可利用多核 CPU；
- 操作系统级优化：线程 I/O 不需系统调用，一个线程阻塞可立即切换另一个。
劣势：
- 创建成本高（需系统调用）；
- 扩展性差（由内核统一管理，数量受限）；
- 切换成本较高（需内核操作）。
七、用户态线程与内核态线程的映射
用户态线程创建成本低但无法利用多核，内核态线程可利用多核但创建/切换成本高。常见做法是在内核中预创建并复用一批内核线程，用户态线程附着其上执行。两者存在 4 种映射关系：
多对一（Many to One）
多个用户态线程复用 1 个内核态线程。创建成本低，但线程无法并发，现已很少使用。
一对一（One to One）
每个用户态线程绑定 1 个独立内核态线程，允许全部线程并发、充分利用多核。Windows NT 与 Linux（NPTL 线程库）均采用此模型，但内核调度压力较大。
多对多（Many to Many）
n 个用户态线程分配 m 个内核态线程（(m \le n)，常取 (m=) 核数）。兼顾内核线程数量与多核并发，早期 Solaris 等系统采用过此模型。
两层设计（Two Level）
混合多对多与一对一：多数用户态线程为 n 对 m，少量用户线程可指定为 1 对 1。
小结
- 内核提供进程/内存/设备/系统调用四大能力，按架构分为宏内核、微内核、混合内核。
- 内存划分为内核空间与用户空间，特权操作经 Trap 切换内核态完成系统调用。
- 用户态线程轻量但无法用多核，内核态线程可用多核但开销大；两者通过多对一、一对一、多对多、两层四种模型映射。