为什么需要区分内核空间与用户空间？
区分内核空间（Kernel Space）与用户空间（User Space）是现代操作系统设计的核心思想之一，其目的主要是为了系统稳定性、安全性和性能的优化。以下是详细解释：
- 稳定性和安全性
- 隔离错误： 用户程序运行在用户空间中，即使发生崩溃或错误（例如非法访问内存、死循环等），只会影响该程序本身，而不会影响操作系统的稳定性。如果用户程序直接操作内核资源（如硬件设备），错误可能导致整个系统崩溃。
- 防止恶意操作： 用户空间的权限受到严格限制，无法直接访问内核资源或其他用户程序的数据。这种隔离机制可以有效防止恶意代码破坏系统或窃取其他程序的数据。
- 硬件资源的保护
- 受控访问硬件： 硬件资源（如 CPU、内存、磁盘等）的访问由内核负责管理。如果允许用户程序直接操作硬件，不仅容易出错，还可能导致资源冲突（例如两个程序同时访问同一个硬件设备）。
- 中断和优先级管理： 硬件中断的处理需要内核级权限，而用户程序无法直接管理中断，这确保了关键任务能及时响应。
- 系统性能优化
- 多任务调度： 内核负责调度系统中的所有任务，确保多任务之间的公平分配和资源竞争的协调。如果没有用户空间与内核空间的划分，用户程序可能会自行抢占资源，导致性能下降或系统卡死。
- 虚拟内存管理： 用户空间的内存由内核管理，用户程序只能访问自己的地址空间。这样既保证了程序之间的隔离，也允许操作系统优化内存使用（如页面交换）。
- 简化系统开发
- 统一接口： 用户程序通过系统调用（System Call）与内核交互，内核对硬件的操作抽象为标准化的接口，简化了用户程序的开发。
- 模块化设计： 用户程序只需关注应用逻辑，而硬件交互和资源管理的复杂性由内核负责。这种分工使得操作系统开发和应用开发相对独立。
- 权限与执行模式的区别
- 权限级别：
- 内核空间运行在 特权模式（Ring 0），可以访问所有的硬件资源和内存地址。
- 用户空间运行在 用户模式（Ring 3），权限受限，无法直接访问硬件或其他程序的内存。
- 执行模式切换： 用户程序需要通过系统调用陷入（Trap）到内核模式，完成硬件操作或敏感资源的访问。切换模式虽然会增加一些开销，但确保了系统的安全性。
- 系统调用与通信桥梁
- 用户程序无法直接访问内核功能，但可以通过 系统调用 请求内核执行某些操作（例如文件操作、网络通信、进程管理等）。这相当于内核和用户程序之间的一个受控通信桥梁，确保了交互的规范性和安全性。