先说明两个概念：中断和系统调用 一 系统调用： 是应用程序（运行库也是应用程序的一部分）与操作系统内核之间的接口，它决定了应用程序是如何和内核打交道的。 1， Linux系统调用：2.6.19版内核提供了319个系统调用。比如 exit fork read open close …… 2， 对Windows来说，操作系统提供给应用程序的接口不是系统调用，而是API。比如：ReadFile。我们暂时把API和系统调用等同起来 3， Linux中，每个系统调用对应一个系统调用号，内核维护了一个系统调
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在执行sys_fork的时候，可能会引起切换，例如: 如果产生了阻塞或者时间片到期了
当进程执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核状态。此时处理器处于特权级最高的(0级)内核代码。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。
在内核态（比如应用进程执行系统调用）时，进程运行需要自己的堆栈信息（不是原用户空间中的栈），而是使用内核空间中的栈，这个栈就是进程的内核栈
3G-4G大部分是共享的，是内核态的地址空间。这里存放整个内核的代码和所有的内核模块以及内核所维护的数据。
操作系统对内存的使用是按段的，例如: 我们编写的一个程序被操作系统加载到内存是按照数据段，代码段等形式分段载入。而操作系统自身的代码也是按段载入的，为了确保安全性，我们用户编写的程序是不能直接访问操作系统的相关段的，因此需要给不同段赋予不同的特权级。
系统调用是应用程序(包含运行库)与操作系统内核的接口，它决定了应用程序如何与内核打交道。在现在的操作系统系统里，程序运行的时候，本身是没有权利访问系统的资源，由于系统有限的资源有可能被不同的应用程序同时访问，因此，如果不加以保护，各个应用程序的冲突在所难免。所以现代操作系统都尽可能的把冲突的资源保护起来，阻止程序直接访问。这些资源，包括文件、网络、IO、各种设备等。
原文链接：https://www.cnblogs.com/viviwind/archive/2012/09/22/2698450.html
首先，栈 (stack) 是一种串列形式的数据结构。这种数据结构的特点是后入先出 (LIFO, Last In First Out)，数据只能在串列的一端 (称为：栈顶 top) 进行 推入 (push) 和 弹出 (pop) 操作。根据栈的特点，很容易的想到可以利用数组，来实现这种数据结构。但是本文要讨论的并不是软件层面的栈，而是硬件层面的栈。
Linux内核中使用 task_struct 结构来表示一个进程，这个结构体保存了进程的所有信息，所以它非常庞大，在讲解Linux内核的进程管理，我们有必要先分析这个 task_struct 中的各项成员
当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核运行态（或简称为内核态）。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。即此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。这与处于内核态的进程的状态有些类似。
因此当前linux的调度程序由两个调度器组成：主调度器，周期性调度器(两者又统称为通用调度器(generic scheduler)或核心调度器(core scheduler))
注: 此系列内容来自网络，未能查到原作者。感觉不错，在此分享。不排除有错误，可留言指正。
内核态：cpu可以访问内存的所有数据，包括外围设备，例如硬盘，网卡，cpu也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。
先看基础常识: 基础 内核在创建进程的时候，会为进程创建相应的堆栈。 每个进程会有两个栈，一个用户栈，存在于用户空间，一个内核栈，存在于内核空间。 当进程在用户空间运行时，CPU寄存器里面的内容是用户堆栈地址，使用用户栈 当进程在内核空间时，CPU寄存器里面的内容是内核栈空间地址，使用内核栈。 切换过程: 当发生系统调用时，用户态的程序发起系统调用。用户态程序权限不足，因此会中断执行，发生中断后，当前CPU执行的程序会中断，跳转到中断处理程序。内核程序开始执行，
—>内核态: CPU可以访问内存所有数据, 包括外围设备, 例如硬盘, 网卡. CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序 —>用户态: 只能受限的访问内存, 且不允许访问外围设备. 占用CPU的能力被剥夺, CPU资源可以被其他程序获取
首先，栈 (stack) 是一种串列形式的 数据结构。这种数据结构的特点是 后入先出 (LIFO, Last In First Out)，数据只能在串列的一端 (称为：栈顶 top) 进行 推入 (push) 和 弹出 (pop) 操作。根据栈的特点，很容易的想到可以利用数组，来实现这种数据结构。但是本文要讨论的并不是软件层面的栈，而是硬件层面的栈。
操作系统有三个特权级别：R0（Ring0）、R1（Ring1）、R2（Ring2）和R3（Ring3）。R0相当于内核态，R3相当于用户态，不同级别能够运行不同的指令集合。
究竟什么是用户态，什么是内核态，这两个基本概念以前一直理解得不是很清楚，根本原因个人觉得是在于因为大部分时候我们在写程序时关注的重点和着眼的角度放在了实现的功能和代码的逻辑性上，先看一个例子：
后面几篇文章开始整理多路复用相关的知识，特别是epoll相关的原理介绍。本篇文章是第1篇文章，也是后续知识的基础，笔者觉得只有真正弄清楚了内核态和用户态，才能更好的理解后续的知识。
linux的上下文切换就是进程线程的切换，也就是切换struct task_struct结构体，一个任务的上下文包括cpu的寄存器，内核栈等，由于1个cpu上的所有任务共享一套寄存器，所以在任务挂起的时候需要保存寄存器，当任务重新被调度执行的时候需要恢复寄存器。每种处理器都提供了硬件级别的上下文切换，比如x86架构下的TSS段，TSS段包括了一个任务执行的所需要的所有上下文，主要有：1.通用寄存器和段寄存器。2.标志寄存器EFLAGS,程序指针EIP，页表基地址寄存器CR3，任务寄存器和LDTR寄存器。3.I/O映射位图基地址和I/O位图信息。4.特权级0，1，2堆栈指针。5.链接到前一任务的链指针。所以上下文切换也很简单，直接用call或者jmp指令调度任务。同样ARM架构也有快速上下文切换技术。但是Linux为了适用更多的cpu架构没使用处理器相关的上下文切换技术，而是大部分通过软件实现。linux上下文切换就在schedule（）函数里，很多地方都会调用这个函数。scchedule函数前面大部分代码是和调度算法相关的，比如实时任务调度算法，O(1)调度算法（2.6.22版本被CFS调度算法取代），CFS调度算法等。经过前面的代码计算后找出下一个要执行的任务，然后开始执行上下文切换。先看一段linux2.6.18版本还使用O(1)调度算法的schedule函数代码：
Linux虚拟内存的大小为2^32（在32位的x86机器上），内核将这4G字节的空间分为两部分。最高的1G字节（从虚地址0xC0000000到0xFFFFFFFF）供内核使用，称为“内核空间”。而较低的3G字节（从虚地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为“用户空间”。也就是说，在这4G的内存中，0-3G是给用户留下的用户空间，这段空间是各个进程独立，无法互相访问的，3-4G是进程的内核空间，每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核空间由系统内的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟地址空间(也叫虚拟内存)。
注：本分类下文章大多整理自《深入分析linux内核源代码》一书，另有参考其他一些资料如《linux内核完全剖析》、《linux c 编程一站式学习》等，只是为了更好地理清系统编程和网络编程中的一些概念
IO是个耗费时间的活，如果CPU在取值执行过程中，遇到了IO指令，那么必须等当前IO执行完毕后，才能继续取出下一条指令去执行，显然这种同步等待机制，并没有充分利用CPU的性能。
Linux内核通过一个被称为进程描述符的task_struct结构体来管理进程，这个结构体包含了一个进程所需的所有信息。它定义在include/linux/sched.h文件中。
前面我们说过，进程的切换总是通过 shedule 函数发生的，而 schedule 函数可以是在系统调用返回、中断返回等时机被调用，也可以进程在驱动程序中主动调用
java的线程是映射到操作系统原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统介入，需要在户态与核心态之间切换，这种切换会消耗大量的系统资源，因为用户态与内核态都有各自专用的内存空间，专用的寄存器等，用户态切换至内核态需要传递给许多变量、参数给内核，内核也需要保护好用户态在切换时的一些寄存器值、变量等，以便内核态调用结束后切换回用户态继续工作。
linux的kernel内核外是系统调用，系统调用外是shell、库函数，而应用程序则在最外层
进程在内核态运行时需要自己的堆栈信息，linux内核为每个进程都提供了一个内核栈。对每个进程，Linux内核都把两个不同的数据结构紧凑的存放在一个单独为进程分配的内存区域中：
操作系统启动就是将操作系统从磁盘读入内存，然后调用相关初始化方法，初始化形成相关数据结构，让操作系统知道硬件的模样，然后启动shell，等待用户使用。
原创作品转载请注明出处 + https://github.com/mengning/linuxkernel/
我们都知道 Linux 是一个多任务操作系统，它支持的任务同时运行的数量远远大于 CPU 的数量。 当然，这些任务实际上并不是同时运行的（Single CPU），而是因为系统在短时间内将 CPU 轮流分配给任务，造成了多个任务同时运行的假象。 CPU 上下文（CPU Context） 在每个任务运行之前，CPU 需要知道在哪里加载和启动任务。这意味着系统需要提前帮助设置 CPU 寄存器和程序计数器。 CPU 寄存器是内置于 CPU 中的小型但速度极快的内存。程序计数器用于存储 CPU 正在执行的或下一条要
我们都知道 Linux 是一个多任务操作系统，它支持的任务同时运行的数量远远大于 CPU 的数量。
我们在学习操作系统课程的时候，应该都学过fork的概念。fork是一个系统调用，用于将当前进程/线程分裂成完全相同的两个。
韩传华，就职于南京大鱼半导体有限公司，主要从事linux相关系统软件开发工作，负责Soc芯片BringUp及系统软件开发，乐于分享喜欢学习，喜欢专研Linux内核源代码。
这是 os summer of code 2020 项目每日记录的一部分： 每日记录github地址（包含根据实验指导实现的每个阶段的代码）：https://github.com/yunwei37/os-summer-of-code-daily
这是进程在内核中的结构形式，那么内核是如何来以树形结构管理描述这些进程的呢？用来描述进程的数据结构，可以理解为进程的属性。比如进程的状态、进程的标识（PID）等，都被封装在了进程描述符 task_struct 这个数据结构中。
内核线程被调度执行时确实需要一个地址空间，但这个地址空间并不是为每个内核线程独立创建的。内核线程运行在操作系统的内核空间中，而不是在用户空间。以下是内核线程执行时地址空间的来源和管理方式：
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线程可以认为是一种在有多个任务时简化编程的抽象。一个线程可以认为是串行执行代码的单元。如果你写了一个程序只是按顺序执行代码，那么你可以认为这个程序就是个单线程程序，这是对于线程的一种宽松的定义。虽然人们对于线程有很多不同的定义，在这里，我们认为线程就是单个串行执行代码的单元，它只占用一个CPU并且以普通的方式一个接一个的执行指令。
进程，这个词大家应该耳熟能详了，那进程是什么呢？我们说程序一般是外存上的一个可执行文件，而进程就是这个可执行文件在内存中的一个执行实例。概念始终只会是一个抽象的概念，进程系列文章通过 $xv6$ 的实例来将进程这个概念具象化。本篇主要介绍进程涉及到的一些数据结构，废话不多说，直接来看
用户空间：指的就是用户可以操作和访问的空间，这个空间通常存放我们用户自己写的数据等。
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