基础知识
#中断
中断的类型
- 按照中断的触发方分成同步中断和异步中断；
- 根据中断是否强制触发分成可屏蔽中断和不可屏蔽中断。
中断可以由 CPU 指令直接触发，这种主动触发的中断，叫作同步中断。
同步中断有几种情况。
- 比如系统调用，需要从用户态切换内核态，这种情况需要程序触发一个中断，叫作陷阱（Trap），中断触发后需要继续执行系统调用。
- 还有一种同步中断情况是错误（Fault），通常是因为检测到某种错误，需要触发一个中断，中断响应结束后，会重新执行触发错误的地方，比如后面我们要学习的缺页中断。
- 最后还有一种情况是程序的异常，这种情况和 Trap 类似，用于实现程序抛出的异常。
另一部分中断不是由 CPU 直接触发，是因为需要响应外部的通知，比如响应键盘、鼠标等设备而触发的中断，这种中断我们称为异步中断。
CPU 通常都支持设置一个中断屏蔽位（一个寄存器），设置为 1 之后 CPU 暂时就不再响应中断。
对于键盘鼠标输入，比如陷阱、错误、异常等情况，会被临时屏蔽。
但是对于一些特别重要的中断，比如 CPU 故障导致的掉电中断，还是会正常触发。
可以被屏蔽的中断我们称为可屏蔽中断，多数中断都是可屏蔽中断。
#内核态和用户态
什么是用户态和内核态
Kernel 运行在超级权限模式下，所以拥有很高的权限。
按照权限管理的原则，多数应用程序应该运行在最小权限下。
因此，很多操作系统，将内存分成了两个区域：
- 内核空间（Kernal Space），这个空间只有内核程序可以访问；
- 用户空间（User Space），这部分内存专门给应用程序使用。
用户空间中的代码被限制了只能使用一个局部的内存空间，我们说这些程序在用户态 执行。
内核空间中的代码可以访问所有内存，我们称这些程序在内核态 执行。
按照级别分：
当程序运行在0级特权级上时，就可以称之为运行在内核态
当程序运行在3级特权级上时，就可以称之为运行在用户态
运行在用户态下的程序不能直接访问操作系统内核数据结构和程序。
当我们在系统中执行一个程序时，大部分时间是运行在用户态下的，在其需要操作系统帮助完成某些它没有权力和能力完成的工作时就会切换到内核态（比如操作硬件）
这两种状态的主要差别
处于用户态执行时，进程所能访问的内存空间和对象受到限制，其所处于占有的处理器是可被抢占的
处于内核态执行时，则能访问所有的内存空间和对象，且所占有的处理器是不允许被抢占的。
为什么要有用户态和内核态
由于需要限制不同的程序之间的访问能力，防止他们获取别的程序的内存数据，或者获取外围设备的数据，并发送到网络
用户态与内核态的切换
所有用户程序都是运行在用户态的，但是有时候程序确实需要做一些内核态的事情， 例如从硬盘读取数据，或者从键盘获取输入等，而唯一可以做这些事情的就是操作系统，所以此时程序就需要先操作系统请求以程序的名义来执行这些操作
用户态和内核态的转换
系统调用
用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作，比如fork()实际上就是执行了一个创建新进程的系统调用
而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，例如Linux的int 80h中断
举例
如上图所示：内核程序执行在内核态（Kernal Mode），用户程序执行在用户态（User Mode）。
当发生系统调用时，用户态的程序发起系统调用，因为系统调用中牵扯特权指令，用户态程序权限不足，因此会中断执行，也就是 Trap（Trap 是一种中断）。
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，也就是开始处理系统调用。
内核处理完成后，主动触发 Trap，这样会再次发生中断，切换回用户态工作。
异常
当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常
外围设备的中断
当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换
比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等
线程
线程：系统分配处理器时间资源的基本单元，是程序执行的最小单位
线程可以看做轻量级的进程，共享内存空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器，线程之间切换的开销小。
在同一个进程（程序）中有多个线程同时执行（通过CPU调度，在每个时间片中只有一个线程执行）
进程可以通过 API 创建用户态的线程，也可以通过系统调用创建内核态的线程。
用户态线程
用户态线程也称作用户级线程，操作系统内核并不知道它的存在，它完全是在用户空间中创建。
用户级线程有很多优势，比如：
- 管理开销小：创建、销毁不需要系统调用。
- 切换成本低：用户空间程序可以自己维护，不需要走操作系统调度。
但是这种线程也有很多的缺点：
- 与内核协作成本高：比如这种线程完全是用户空间程序在管理，当它进行 I/O 的时候，无法利用到内核的优势，需要频繁进行用户态到内核态的切换。
- 线程间协作成本高：设想两个线程需要通信，通信需要 I/O，I/O 需要系统调用，因此用户态线程需要额外的系统调用成本。
- 无法利用多核优势：比如操作系统调度的仍然是这个线程所属的进程，所以无论每次一个进程有多少用户态的线程，都只能并发执行一个线程，因此一个进程的多个线程无法利用多核的优势。
操作系统无法针对线程调度进行优化：当一个进程的一个用户态线程阻塞（Block）了，操作系统无法及时发现和处理阻塞问题，它不会更换执行其他线程，从而造成资源浪费。
内核态线程
内核态线程也称作内核级线程（Kernel Level Thread），这种线程执行在内核态，可以通过系统调用创造一个内核级线程。
内核级线程有很多优势：
- 可以利用多核 CPU 优势：内核拥有较高权限，因此可以在多个 CPU 核心上执行内核线程。
- 操作系统级优化：内核中的线程操作 I/O 不需要进行系统调用；一个内核线程阻塞了，可以立即让另一个执行。
当然内核线程也有一些缺点：
- 创建成本高：创建的时候需要系统调用，也就是切换到内核态。
- 扩展性差：由一个内核程序管理，不可能数量太多。
- 切换成本较高：切换的时候，也同样存在需要内核操作，需要切换内核态。
用户态线程和内核态线程之间的映射关系
如果有一个用户态的进程，它下面有多个线程，如果这个进程想要执行下面的某一个线程，应该如何做呢？
这时，比较常见的一种方式，就是将需要执行的程序，让一个内核线程去执行。
毕竟，内核线程是真正的线程，因为它会分配到 CPU 的执行资源。
如果一个进程所有的线程都要自己调度，相当于在进程的主线程中实现分时算法调度每一个线程，也就是所有线程都用操作系统分配给主线程的时间片段执行。
这种做法，相当于操作系统调度进程的主线程；进程的主线程进行二级调度，调度自己内部的线程。
这样操作劣势非常明显，比如无法利用多核优势，每个线程调度分配到的时间较少，而且这种线程在阻塞场景下会直接交出整个进程的执行权限。
由此可见，用户态线程创建成本低，问题明显，不可以利用多核。
内核态线程，创建成本高，可以利用多核，切换速度慢。
因此通常我们会在内核中预先创建一些线程，并反复利用这些线程。
协程
协程，是一种比线程更加轻量级的存在，协程不是被操作系统内核所管理，而完全是由程序所控制（也就是在用户态执行）。
这样带来的好处就是性能得到了很大的提升，不会像线程切换那样消耗资源
