Linux：APP运行与用户态以及内核态、APP收到的信号处理

定义：何为用户态，何为内核态？
问题一：app何时进入内核态，何时退出？
问题二：app进入/退出内核态时会进行那些操作呢？
问题三：app在用户态/内核态处理信号，信号来自内核还是用户空间的程序呢?
- 1、在内核处理的信号：
- 2、在用户态处理的信号：
问题四：app是如何知道自己收到信号，何时进行检查的呢？

定义：何为用户态，何为内核态？

在 Linux 操作系统中，用户态和内核态是两种不同的工作模式，它们用于区分操作系统内核和应用程序之间的权限边界和资源访问等。下面是关于用户态和内核态的一些基本介绍：

用户态：用户态是指应用程序或用户程序运行的模式，它是用户程序能够访问的最高权限层次。在用户态中，程序直接使用 CPU、内存和其他系统资源，它是处于操作系统的最低特权级别下运行的。
内核态：内核态是指操作系统内核运行的模式，它是操作系统内核能够访问的最高权限层次。在内核态中，操作系统内核可以直接操纵硬件设备、执行 CPU 指令和访问内存等，它是处于操作系统的最高特权级别下运行的。
特权级别切换：由于内核在特权级别较高的特权模式（即内核态）中运行，当应用程序需要进行某些需要更高特权级别才能执行的操作时，例如访问硬件设备或执行系统调用等，必须切换到内核态进行操作。这种切换在操作系统中是通过系统调用、中断或异常等机制实现的。

总之，用户态和内核态是 Linux 系统中的两种不同的工作模式，它们主要用于隔离操作系统内核和应用程序之间的权限和资源访问，确保系统的稳定性和安全性。应用程序运行在用户态，内核运行在内核态，当应用程序需要访问更高权限资源时，通过特权级别的切换实现对系统资源的访问。

问题一：app何时进入内核态，何时退出？

在 Linux 中，当一个应用程序执行时，会在用户态和内核态之间进行切换。这种切换是由硬件中断、系统调用和异常引起的。以下是一些常见情况下应用程序进入和退出内核态的时机：

系统调用：当应用程序需要访问操作系统提供的特权指令或资源时（如文件 I/O、网络通信等），它会通过系统调用的方式进入内核态。应用程序会使用特定的系统调用指令（如int 0x80、sysenter等）发起请求，触发 CPU 切换到内核模式执行相应的系统调用函数。在系统调用执行完毕后，控制权会返回用户态。
异常处理：当应用程序执行期间发生了一些异常事件，如除零错误、无效内存访问等，CPU 会立即切换到内核态来处理这些异常。内核会通过相应的异常处理程序来处理异常情况，并决定如何继续执行或者向应用程序报告异常情况。
硬件中断和定时器：硬件设备发送中断信号或定时器触发时，CPU 会立即切换到内核态执行相应的中断处理程序。这样，内核可以及时响应硬件设备的事件并作出适当的处理。

总的来说，在应用程序执行过程中，进入内核态的时机通常是在需要访问系统资源或处理异常、中断等特殊情况时。而退出内核态则是在内核处理完相应的请求后，将控制权返回到用户态，让应用程序继续执行。

问题二：app进入/退出内核态时会进行那些操作呢？

进入内核态时的操作：

bash 复制代码

1. 切换内存空间：当应用程序发起系统调用或遇到异常时，CPU会从用户态切换到内核态。这时，
   操作系统会切换进内核的地址空间，以便访问内核所需的数据和代码。

2. 保存上下文：在进入内核态之前，CPU会保存当前应用程序的上下文（如程序计数器、寄存器
   的值等），以便在后续返回用户态时能够恢复应用程序的执行状态。

3. 执行内核代码：一旦进入内核态，CPU开始执行内核代码，例如处理系统调用、异常、中断等。
   根据具体的操作，内核可能会执行相应的处理逻辑，分配资源，更新数据结构等。

退出内核态时的操作：

bash 复制代码

1. 恢复上下文：在完成内核逻辑的处理后，CPU会恢复之前保存的应用程序上下文，包括程序计数器
   和寄存器的值，以便应用程序可以从中断的点继续执行。

2. 切换内存空间：如果应用程序要求退出内核态时，需要切换回用户态的地址空间，以便应用程序可
   以继续在自己的地址空间中执行。

3. 返回用户态：一旦恢复了应用程序的上下文和内存空间，CPU会通过跳转指令将执行流返回到应用
   程序的下一条指令，使其继续在用户态中执行。

问题三：app在用户态/内核态处理信号，信号来自内核还是用户空间的程序呢?

在 Linux 中，应用程序处理收到的信号有的是在用户态进行的。有的是在内核态进行的。

信号是一种异步事件，可以由多种来源触发，包括操作系统内核、其他应用程序或应用程序内部。当应用程序接收到一个信号时，操作系统会将其发送给目标应用程序。应用程序可能会在用户态中执行信号处理程序。

信号处理程序是由应用程序开发者定义的，用于处理特定信号的逻辑。应用程序可以使用系统调用（如signal()）来注册信号处理程序。当信号到达时，操作系统会中断应用程序的执行，跳转到相应的信号处理程序执行。信号处理程序在用户态执行，因此可以访问应用程序的用户态资源和环境，如变量、堆栈等。

信号可以来自内核和用户空间的程序。内核可以发送一些特定的信号给应用程序，用于通知和控制应用程序的行为，如终止应用程序（SIGKILL）、终端中断（SIGINT）等。另外，应用程序之间也可以通过信号进行交互，例如一个应用程序通过发送信号给另一个应用程序来通知某个事件的发生。

1、在内核处理的信号：

这些信号通常是与系统事件和错误相关的信号，用于通知应用程序发生了某些特定的事件或错误。以下是一些由内核处理的常见信号：

SIGSEGV：当应用程序访问无效的内存地址时，会产生 SIGSEGV 信号，用于表示内存访问错误。
SIGFPE：当应用程序执行了一个不允许的浮点运算，如除数为零或溢出等，会产生 SIGFPE 信号，用于表示浮点异常。
SIGILL：当应用程序执行了一个非法指令时，例如在特定体系结构上无效的指令，会产生 SIGILL 信号。
SIGBUS：当应用程序访问了非法的物理内存地址或执行了带有错误对齐要求的指令时，会产生 SIGBUS 信号。
SIGSYS：当应用程序执行了一个无效的系统调用时，会产生 SIGSYS 信号。

这些信号的处理程序是由内核直接处理的，而不会交给应用程序的信号处理程序。它们表示了一些严重的系统事件和错误，需要由内核进行处理和决策。应用程序无法捕获和处理这些信号，它们通常导致应用程序被终止或产生核心转储文件以供调试使用。

对于这些由内核处理的信号，它们确实在被触发时不会导致切换到用户态。这些信号的处理通常发生在内核态，因为它们涉及到底层系统的状态、异常和错误情况，需要操作系统内核来进行处理。

与普通的用户态到内核态的切换不同，这些信号的处理过程不会返回到原始触发信号的应用程序中。相反，内核会根据信号类型执行特定的信号处理程序，这些处理程序通常是作为内核的一部分直接执行的，而不涉及用户态的应用程序代码。因此，这些信号的处理过程通常始终在内核态进行，而不涉及到用户态的切换。

2、在用户态处理的信号：

在接收到某些信号时，操作系统会将执行权从内核态切换到用户态，以便执行应用程序定义的信号处理程序。以下是一些常见的信号，当它们被触发时，会导致切换到用户态：

SIGINT：当用户在终端（命令行）上按下 Ctrl+C 组合键时，会发送 SIGINT 信号给前台进程。这通常用于请求终止（中断）正在执行的程序。操作系统会切换到用户态，以便执行 SIGINT 信号的处理程序。
SIGTERM：当一个进程接收到 SIGTERM 信号时，它表示请求正常终止该进程。SIGTERM 通常由其他进程或系统管理员发送，用于优雅地终止目标进程。当进程接收到 SIGTERM 信号时，操作系统会将执行权切换到用户态，执行应用程序定义的 SIGTERM 信号处理程序。
SIGUSR1 和 SIGUSR2：这两个信号是用户定义的信号，可以由应用程序按需使用。当应用程序接收到 SIGUSR1 或 SIGUSR2 信号时，操作系统会将执行权切换到用户态，以便执行应用程序定义的信号处理程序。

并非所有信号都会导致切换到用户态。只有在应用程序定义了信号处理程序并且信号没有被忽略时，才会发生用户态和内核态之间的切换。对于那些没有定义信号处理程序的信号或者被忽略的信号，操作系统会采取默认的处理方式，而无需进行用户态切换。

问题四：app是如何知道自己收到信号，何时进行检查的呢？

应用程序是如何知道自己收到信号的：实际上涉及到操作系统的信号处理机制。在大多数操作系统中，包括 Linux，应用程序会周期性地检查是否有挂起的待处理信号。

当操作系统接收到一个信号并确定它应该发送给某个特定的应用程序时，它会将信号信息放入应用程序的进程控制块中。进程控制块是操作系统管理进程信息的数据结构，其中包含了进程的状态、优先级、资源信息以及待处理的信号等。

应用程序在执行期间会周期性地进行系统调用，例如进行 I/O 操作、定时器处理或者执行某些语句时。在这些系统调用执行之后，操作系统会检查当前进程的进程控制块，查看是否有待处理的信号。如果有，则操作系统会中断应用程序的正常执行，转而执行相应的信号处理程序。

操作系统通过在适当的时机检查并处理信号，确保了应用程序能够及时响应各种信号（如终止信号、非阻塞 I/O 信号等），同时也让应用程序的正常执行受到了最小的干扰。

信号检查的过程是在内核态进行的.当应用程序进行系统调用时，例如读取文件或进行网络操作，会触发一个从用户态切换到内核态的转换。操作系统在内核态下执行系统调用，并在系统调用完成后，再将控制权返回给应用程序的用户态。

在进行系统调用的过程中，操作系统会检查当前进程的进程控制块中是否有挂起的待处理信号。这个检查过程发生在内核态，因为操作系统对进程的管理和信号的处理都是在内核态进行的。

一旦操作系统检测到进程有挂起的信号，它会中断当前的系统调用执行，将控制权传递给信号处理程序。信号处理程序在用户态中执行，可以根据信号的类型和应用程序的要求进行相应的处理。