系统调用期间的用户模式和内核模式切换

Question

在Linux系统调用期间，以下哪些情况会发生：

1. 用户模式进程被提升为内核模式并执行内核代码（中断服务例程），然后返回正常模式。换句话说，消耗CPU的是用户进程。
2. 有一个内核进程始终在内核模式下运行。用户模式进程将任务（以系统调用形式）分派给内核进程。内核进程完成工作并将结果返回给用户模式进程。换句话说，此时用户进程处于空闲状态，而内核进程是消耗CPU的那个。
3. 其他情况。

- Arpit Aggarwal

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没有所谓的“内核进程”，只有内核内存空间，它是每个进程的一部分，因此更容易切换。如果它是一个单独的进程，你就必须从头开始重新映射内存。 - Sedat Kapanoglu

Answer 1

这主要是1，但也有一点2。

从用户模式应用程序的角度来看，系统调用本身是同步进行的。 然而，通常情况下，系统调用没有所需的返回内容，因此会将进程置于睡眠状态。 这并不总是发生; 有些简单的系统调用确实是同步完成的。 但是，有些需要等待长时间运行的I/O任务才能完成。

内核具有处理异步事物的中断处理程序和内核线程。 例如，你的硬盘中断了系统，表示它最终检索到了你正在读取的文件。其中一个这些异步事件可以到来并唤醒您的进程，现在系统调用已经有了返回到用户空间所需的内容。

因此，看起来整个过程是同步发生的，但这只是一种假象。

- Jonathon Reinhart

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这意味着内核进程/线程在为用户进程提供系统调用服务时也可以执行一些代码（消耗一些CPU周期）。由于内核线程/进程具有不同的pid，因此该CPU使用量将计入内核进程而不是用户进程。我正在对我的应用程序进行分析，发现一些内核工作线程消耗了一些CPU周期。我想知道是否是我的应用程序导致kworker线程进行了一些计算。如果我理解有误，请纠正我。 - Arpit Aggarwal

我不是很有信心，但我认为绝大部分时间应该正确地归因于您的进程。由 kworker 线程执行的任何操作都应被视为系统中其他事情的副作用，而不是您的应用程序的直接后果。虽然很难说。 - Jonathon Reinhart

Answer 2

为了让处理器进入内核（或另一个提升的）模式，必须通过中断或异常来实现。因为您在询问系统调用，所以我们正在处理异常。

[作为过度简化的风险，尤其是英特尔的奇怪行为...] 任何硬件异常（例如，访问冲突，除零，页面错误）都会导致处理器进入内核模式。每个异常都有一个由处理器定义的编号。当发生异常时，处理器分派到异常处理程序。通常，处理器具有定义异常处理程序数组的位置和长度的寄存器。当异常＃2发生时，CPU调用数组中的第三个处理程序（0、1、2）。

处理器不变地具有触发特定目的异常的指令，例如调试和系统调用。

要进行系统调用，请调用引发异常的处理器指令，该异常将分派到执行系统调用的异常处理程序。在系统调用结束时，处理程序调用特殊的从异常/中断返回指令，将处理器返回到用户模式。

因此，您的#1在很大程度上是正确的。

在大多数操作系统中，您的#2完全错误。中断和异常由当前正在执行的进程处理（Linux使用不同的术语，但在功能上是相同的）。

如果您的进程读取磁盘，则在等待响应时可能会暂停。当中断发生时，另一个进程将正在运行，该中断表示YOUR磁盘I / O已完成。该进程将处理您的I / O中断。然后，它将您的I / O请求排队到您的进程，并将您的进程状态设置为可运行。下次调度您的进程运行时，它可以接收其已完成的I / O请求。

- user3344003