## 内核态和用户态 **所谓内核，其实就是操作系统中的一组程序**，作为可信软件来提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作，**具有访问硬件设备和所有内存空间的权限**，内核是操作系统的核心。 当然，操作系统除了内核程序外，还有包括其他一些基本组件，如文本编辑器、编译器、用来与用户进行交互的程序比如桌面系统等。  那么既然内核是程序，它需要运行，就必须被分配 CPU。因此，CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统的内核程序（也称为系统程序），一种是应用程序。**前者完成系统任务，后者实现应用任务。两者之间有控制和被控制的关系，前者有权管理和分配资源，而后者只能向系统申请使用资源**。 我们把在 CPU 上运行的这两类程序加以区分，这就是内核态和用户态出现的原因。 - **内核态**（kernel mode）：当 CPU 处于内核态时，这是操作系统管理程序（也就是内核）运行时所处的状态。运行在内核态的程序可以访问计算机的任何资源，不受限制，为所欲为，例如协调 CPU 资源，分配内存资源，提供稳定的环境供应用程序运行等。 - **用户态**（user mode）：应用程序基本都是运行在用户态的，或者说用户态就是提供应用程序运行的空间。运行在用户态的程序只能访问当前 CPU 上执行程序所在的地址空间，这样有效地防止了操作系统程序受到应用程序的侵害。 对操作系统来说，**什么样的程序应该放在内核态呢**？这取决于对资源的需求、时间的紧迫和效率高低等因素。比如 CPU、内存、设备等资源管理器程序应该在内核态运行，否则安全性没有保证。对于文件系统和数据来说，文件系统数据和管理必须放在内核态，但是用户的数据和管理可以放在用户态。 ## 内核缓冲区和用户缓冲区 根据内核态和用户态的定义，我们不难理解内核空间和用户空间的定义 - 用户操作系统内核能够访问的**内存**区域呢，就称为**内核空间**，它独立于普通的应用程序，是受保护的内存空间 - 而普通应用程序可访问的内存区域呢，就是**用户空间** 当我们说一个应用程序从磁盘上读取文件时，通常分两步走：  **操作系统（内核）先从磁盘上读取数据存到内核空间，再把数据从内核空间拷贝到用户空间。此后，用户应用程序才可以操作此数据**。 所以，在这个过程中有两次数据读取操作： 1. 第一步：从磁盘上读取 2. 第二步：从内存中读取 ### 内核缓冲区 众所周知，访问磁盘的速度要远远低于访问内存的速度，完全不是一个量级的，所以理论上 read 磁盘的速度要远远慢于 read 内存。 那么整个文件读取过程的最大时间瓶颈就出现在了对磁盘的读取上。 要解决这个问题，**内核缓冲区**（`Kernel Buffer Cache`）就应运而生了。 **本质上其实就是内核空间的一块内存区域罢了** 从 Buffer Cache（缓冲区缓存）这个名字上能看出来，内核缓冲区（准确的说，应该是**内核缓冲区缓存**），其实有两个作用，缓冲(Buffer) + 缓存(Cache) 1）先来看看它是怎么充当 **Cache** 的： - **数据预读（read-ahead）**：数据预读指的是，「当程序发起 read() 系统调用时，内核会比请求更多地读取磁盘上的数据，保存在缓冲区，以备程序后续使用。这种数据的预取策略其实就是基于局部性原理」 因此当我们向内核请求读取数据时，内核会先到内核缓冲区中去寻找，如果命中数据，则不需要进行真正的磁盘 I/O，直接从缓冲区中返回数据就行了；如果缓存未命中，则内核会从磁盘中读取请求的 page，并同时读取紧随其后的几个 page（比如三个），如果文件是顺序访问的，那么下一个读取请求就会命中之前预读的缓存（当然了，预读算法非常复杂，这里只是一个简化的逻辑）。 2）再来看看内核缓冲区是怎么充当 **Buffer** 的： - **延时回写（write-behind）**：回写指的是，「当程序发起 write() 系统调用时，内核并不会直接把数据写入到磁盘文件中，而仅仅是写入到缓冲区中，几秒后（或者说等数据堆积了一些后）才会真正将数据刷新到磁盘中」。对于系统调用来说，数据写入缓冲区后，就返回了。  延迟往磁盘写入数据的最大一个好处就是，可以合并更多的数据一次性写入磁盘，把小块的 I/O 变成大块 I/O，减少磁盘处理命令次数，从而提高提盘性能。 另一个好处是，当其它进程紧接着访问该文件时，内核可以从直接从缓冲区中提供更新的文件数据（这里又是充当 Cache 了）。 ### 用户缓冲区 上面提到，read 磁盘的速度要远远慢于 read 内存，不过事实上，**read 内存这个操作也挺费时的，因为应用程序想要访问系统资源的话，就要通过系统调用 or 中断（外中断、内中断）使得 CPU 从用户态转向内核态，这个状态的改变需要涉及堆栈的环境和数据变化，还是挺需要时间的**。 那为了**减少系统调用的发生**呢（或者说，减少用户态和内核态的转换次数），就设计了用户缓冲区。 作用和内核缓冲区一样，数据预读 + 延时回写，既充当 Cache 又充当 Buffer。 不同的就是，**内核缓冲区处理的是内核空间和磁盘之间的数据传递，目的是减少访问磁盘的次数；而用户缓冲区处理的是用户空间和内核空间的数据传递，目的是减少系统调用的次数**（感觉这句话总结的不错，给自己点个赞）  > 另外，从上面的分析我们可以看出，read() 和 write() 都并非真正执行 I/O 操作（或者说，都并不直接和磁盘进行交互），它只代表数据在用户空间 / 内核空间传递的完成，**read 是把数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区，write 是把用户缓冲区复制到内核缓冲区（而内核缓冲区的数据其实是通过操作系统层面的 I/O 接口从磁盘读取或写入）** ### 内核缓冲区和 Socket 缓冲区的区别 Socket 缓冲区（发送缓冲区和接收缓冲区）也就是 TCP 发送窗口和接收窗口，无论是 Socket 缓冲区，还是内核缓冲区，首先当然都是在内核的（所以如果不抠定义的话，Socket 缓冲区其实也是一种内核缓冲区） 接收网络数据： - 整个数据的流程中，首先网卡接收到的数据存放到内核缓冲区内 - 然后内核缓冲区存放的数据根据 TCP 信息将数据移动到具体的某一个 TCP 连接上的接收缓冲区内，也就是接收滑动窗口内 - 然后用户进程从 TCP 的接受缓冲区内读取数据，如果应用程序一直不读取，那么滑动窗口就会变小，直至为 0 发送网络数据： - 用户程序将数据拷贝到各自 TCP 发送缓冲区内（也就是发送滑动窗口） - 然后内核将所有 Socket 的发送缓冲区（也就是发送滑动窗口）内的数据都拷贝到内核发送缓冲区内，然后内核将内核缓冲区的数据经过网卡发送出去。 总结来说，Socket 的发送/接受缓冲区（也就是发送/接受滑动窗口），是针对某一个具体的 TCP 连接来说的，每一个 TCP连接都会有相应的滑动窗口，但是内核的发送/接受缓冲区是针对整个系统的，里面存放着整个系统的所有 TCP 连接的接收/发送的数据