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Unix内核、内存寻址与进程管理全解析

1. Unix内核概述

Unix内核为应用程序提供了运行的执行环境，因此它必须实现一系列服务和相应的接口。应用程序通过这些接口运行，通常不会直接与硬件资源交互。

1.1 进程/内核模型

CPU有用户模式（User Mode）和内核模式（Kernel Mode）两种运行模式，部分CPU（如80x86微处理器）有四种不同的执行状态，但标准Unix内核只使用内核模式和用户模式。
-用户模式：程序在用户模式下执行时，无法直接访问内核数据结构或内核程序。
-内核模式：应用程序在该模式下执行时，上述限制不再适用。每个CPU模型都提供了在用户模式和内核模式之间切换的特殊指令。程序通常在用户模式下执行，仅在请求内核服务时切换到内核模式，内核满足请求后再将程序放回用户模式。

进程是系统中具有有限生命周期的动态实体，内核中的一组例程负责进程的创建、消除和同步。内核本身并非进程，而是进程管理器。需要内核服务的进程通过系统调用（system calls）来请求服务，每个系统调用会设置标识进程请求的参数组，然后执行依赖硬件的CPU指令，从用户模式切换到内核模式。

除了用户进程，Unix系统还包含一些特权进程，即内核线程（kernel threads），其具有以下特点：
- 在内核地址空间的内核模式下运行。
- 不与用户交互，因此不需要终端设备。
- 通常在系统启动时创建，一直运行到系统关闭。

在单处理器系统中，同一时刻只有一个进程在运行，它可以在用户模式或内核模式下执行。