关于操作系统，用户态，内核态
请教一个问题，最近学习了下操作系统（没学过组成原理），接触到了cpu的内核态和用户态。网课上提到涉及到与资源有关的操作，似乎都需要系统调用，也就是需要涉及到内核态的相关操作。我于是产生了一个疑惑：“如果计算机在播放一段视频，这似乎在频繁的使用i/o设备将画面输出到屏幕上，而i/o操作只能在内核态下运行，意思是cpu在不断的进行变态操作吗？这也太频繁了，甚至我在屏幕上的打字框打一个字，都要通过输入/输出设备，cpu状态转变也太频繁了吧，而绝大多数用户态下的指令都需要内核态的辅助，用户态有这么不堪吗？”
以上是我的疑惑，可能描述的不是很清楚，问题也许也很简单，是我转了牛角尖，不过我每次遇到一个问题不想明白完全无法继续下一个问题，总之望不吝赐教！感谢！
有探寻的想法是好的，但不能被局限，你如果今年考研的话才学到这里上岸难度很大了，用简单的话讲：视频播放不停切换输入输出设备是件在正常不过的事，用户态-内核态不停切换是因为io操作只能在内核态完成，我们的平时电脑指令输入到PC是能在用户态直接实现，调用系统资源在切回内核态运行，这不是说用户态不行，是它是数据传输交换的必要角色。
即便没有主动系统调用,CPU也会每个时钟周期切入内核态的,而且是毫秒级,也就是一秒内就自动切入无数次,所以你再看看播放视频时那点耗时是不是好理解多了?
引用 皆我百晓生 小程序回复内容作答：
你的疑惑是非常好的。对于CPU在内核态和用户态之间频繁切换的问题，实际上这种切换的成本是很小的，我们看起来没有明显的感知。
在计算机系统中，用户态和内核态是为了实现操作系统的功能而设定的两种特权级别。用户态是指用户程序运行时所处的权限级别，受到一定限制，只能访问被许可的资源。而内核态拥有更高的权限级别，可以执行操作系统的核心功能和访问系统资源。切换到内核态时，可以执行特权指令，如访问硬件设备、执行系统调用等。
在播放视频的例子中，当用户程序需要将视频数据输出到屏幕上时，涉及到了I/O操作，这个操作需要在内核态下执行。这时会引发一个从用户态切换到内核态的转变。但是这个切换很快，对于人类的感知来说，几乎是瞬间完成的，因此我们无法察觉到这个过程。
同样地，当在用户态下输入文字时，也需要通过I/O设备来接收输入，会引发从用户态到内核态的切换。这个切换也是非常快速的，通常提供快速的响应时间。
总结来说，频繁的用户态和内核态之间的切换对于计算机系统是正常的操作，而且这种切换的开销较小，不会给我们带来明显的感知延迟。操作系统利用用户态和内核态的分离，保障了系统的稳定性、安全性和资源的合理分配。
【相关推荐】
- 你可以看下这个问题的回答https://ask.csdn.net/questions/7759543
- 除此之外, 这篇博客: 计算机存储结构分析中的 内存：是计算机运行过程中的存储主力，用于存储指令（编译好的代码段），运行中的各个静态，动态，临时变量，外部文件的指针等等。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大，用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据，CPU会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。 部分也许能够解决你的问题, 你可以仔细阅读以下内容或跳转源博客中阅读:
前面提到的寄存器和高速缓存只是加速存储速度的中间部件，原始运行文件肯定都是先加入到内存中的，因此内存的大小决定了一个可运行程序的最大大小，但是内存比缓存要慢10倍左右，但是空间可以达到GB级别、甚至更高。
举例：如果内存大小是4G，一个程序装入内存需要大于4G空间的话，该程序是无法运行的，当然实际是还要去掉操作系统占用的内存，因此连4G都无法满足的。（当然现在有了虚拟内存，也就是将硬盘的一部分映射为内存空间，将不经常访问的指令放到虚拟内存中，这样其实是支持大于4G的程序的，这里只是在假设没有虚拟内存的情况下的举例说明）。
四、硬盘
如果你已经解决了该问题, 非常希望你能够分享一下解决方案, 写成博客, 将相关链接放在评论区, 以帮助更多的人 ^-^
结合GPT给出回答如下请题主参考
你的疑惑是什么？如果你想了解什么是用户态和内核态，以及它们之间的区别和联系，可以参考下面的内容：
在操作系统中，程序运行时会分为两种状态，一种是用户态，另一种是内核态。用户态是指程序运行时只能访问自己的内存空间，而不能访问操作系统的内存空间。内核态是指程序运行时可以访问操作系统的内存空间，可以进行操作系统提供的系统调用等操作。
例如，当一个程序需要从文件中读取数据时，它需要调用操作系统提供的open()和read()函数。这些函数通常位于操作系统的内核态中，因此程序需要通过系统调用进入内核态，并将数据传递给操作系统，然后操作系统才会将数据从文件中读取出来，再通过系统调用返回到用户态中。
下面是一个简单的代码示例，演示了用户态和内核态之间的通信过程：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
char buf[10];
int fd = open("/tmp/test.txt", O_RDONLY);
if (fd == -1) {
fprintf(stderr, "open failed\n");
return 1;
}
read(fd, buf, sizeof(buf));
close(fd);
printf("%s", buf);
return 0;
}
在上面的代码中，open()、read()和close()函数都是系统调用，它们位于内核态中。程序首先通过open()函数打开一个文件，然后通过read()函数从文件中读取数据，最后通过close()函数关闭文件。在执行read()函数时，程序需要进入内核态，将文件描述符和缓冲区的地址等信息传递给操作系统，然后操作系统才会将数据从文件中读取出来，最后将数据复制到缓冲区中，再将控制权返回给程序，使其继续在用户态中执行。
【计算机存储结构分析 - CSDN App】http://t.csdn.cn/Ri9oF【计算机存储结构分析 - CSDN App】http://t.csdn.cn/Ri9oF
计算机系统中CPU的状态是通过切换不同的执行模式来实现的，包括用户态和内核态。在用户态下，CPU只能访问受限的资源和执行受限的指令，而在内核态下，CPU可以访问系统的所有资源和执行特权指令。
当一个应用程序需要进行输入/输出操作时，比如播放视频或者输入文字，它会发起系统调用请求，从用户态切换到内核态。一旦进入内核态，CPU可以直接访问I/O设备并执行相关的操作，而不需要频繁地切换状态。这样做的好处是确保对I/O设备的操作是安全和可靠的，同时提高了系统的效率。
虽然在执行系统调用时CPU需要从用户态切换到内核态，但这些状态的切换是由操作系统自动完成的，并且在硬件层面上进行优化，以尽可能减少性能开销。此外，现代的操作系统也提供了一些优化措施，如中断技术、异步I/O等，在一定程度上减少了CPU状态切换的频率。
该回答通过自己思路及引用到GPTᴼᴾᴱᴺᴬᴵ搜索,得到内容具体如下：
你的问题是关于操作系统中的用户态和内核态以及频繁的状态切换的疑惑。
首先，操作系统将CPU的运行分为用户态和内核态两种模式。在用户态下，程序只能访问受限的资源，并且不能直接执行特权指令或访问底层硬件设备。而在内核态下，操作系统具有完整的权限，可以执行特权指令和访问系统的全部资源。
当用户程序需要执行某些需要特权的操作或访问受限资源时，就需要通过系统调用（也称为内核调用）来请求操作系统的帮助。系统调用是一种切换CPU模式的机制，将CPU从用户态切换到内核态，以便操作系统能够执行相应的操作。系统调用的开销相对较大，因为它涉及到模式切换和上下文切换等操作，所以频繁的系统调用会导致性能下降。
对于你提到的播放视频和键盘输入的情况，确实涉及到频繁的IO操作。当视频播放时，需要不断地从存储设备读取视频数据，并将其输出到屏幕。这些IO操作需要通过系统调用来进行，因此会涉及到用户态和内核态之间的切换。类似地，键盘输入也需要通过IO设备进行读取，并且可能需要操作系统的处理，因此也涉及到状态切换。
尽管频繁的状态切换会带来一定的开销，但现代操作系统通过优化和处理器的特性来减少这种开销。例如，操作系统可以使用缓存和预取技术来加速IO操作，从而减少状态切换的次数。此外，处理器也提供了一些特殊指令和硬件机制，如快速系统调用（Fast System Call）和用户态/内核态切换的优化，以提高性能。
需要注意的是，用户态并不是不堪或无用的。用户态下的程序可以执行大部分指令，并且具有更高的执行效率，因为它们不需要频繁地切换到内核态。操作系统将关键的特权操作保留在内核态，以确保系统的安全性和稳定性。
总结起来，频繁的状态切换确实存在一定的开销，但现代操作系统和处理器通过优化和特殊机制来减少这种开销。用户态和内核态各有其作用，操作系统通过划分不同的权限级别来保证系统的安全性和稳定性。
如果以上回答对您有所帮助，点击一下采纳该答案～谢谢
该回答通过自己思路及引用 [文心一言] 搜索，具体回答如下：
你的问题非常清晰，感谢你提出这个问题。确实，计算机在执行用户态下的指令时，往往需要内核态的辅助，因为许多资源（如I/O设备）通常只能由内核进行访问和操作。这导致了在一些情况下，CPU需要在用户态和内核态之间频繁切换。
当你在播放视频或进行其他I/O操作时，确实需要从用户态切换到内核态。这是因为这些操作通常涉及到硬件或其他系统资源，这些资源通常只有操作系统内核才能直接访问。例如，当你播放视频时，CPU会通过驱动程序与显卡进行交互，这需要在内核态下进行。
然而，现代操作系统设计已经尽量减少了这种状态切换的频率。例如，操作系统可以引入一些机制，如中断、轮询、信号量等，使得在用户态下执行I/O操作的程序能够以更有效的方式与内核进行交互。这些机制可以帮助减少不必要的状态切换，并提高程序的效率。
另一个值得注意的点是，虽然许多操作需要内核态的辅助，但这并不意味着用户态下的程序没有价值或能力。相反，用户态下的程序可以执行大量的计算和数据处理任务，而这些任务往往并不需要直接访问硬件或其他系统资源。
总的来说，CPU确实需要在用户态和内核态之间进行切换，以执行各种操作。但是，这种切换的频率并没有你想象的那么高。同时，用户态和内核态的设计并非二选一的关系，而是相辅相成的关系，各自在其擅长的领域发挥作用。
内核态（Kernel Mode）：在内核态下，CPU可以执行所有指令，包括特权指令，也可以直接访问硬件资源。操作系统的内核运行在内核态下，它具有最高的权限，可以执行特权操作，管理系统资源，并响应硬件事件。
用户态（User Mode）：在用户态下，CPU的权限受到限制，通常只能执行非特权指令。用户程序运行在用户态下，它们不能直接访问硬件资源或执行特权操作。当用户程序需要访问硬件或执行特权操作时，必须通过系统调用进入内核态，让操作系统代表它们执行这些操作。
I/O缓冲：计算机系统通常使用I/O缓冲来减少I/O操作的频率。例如，在播放视频时，数据通常被预加载到内存中，然后批量传输到屏幕，而不是每一帧都进行单独的I/O操作。
系统调用优化：现代操作系统会优化系统调用的开销。它们会尽量减少从用户态到内核态的切换次数，并使用高效的数据结构来管理I/O操作队列。
硬件支持：现代CPU和操作系统都支持硬件级别的多线程和中断处理，这使得状态切换的开销相对较小。
异步操作：某些情况下，I/O操作可以异步进行，不会阻塞CPU的正常执行。这意味着CPU可以继续执行其他任务，而不必等待I/O操作完成。
援引讯飞星火：
操作系统的内核态和用户态是两种不同的运行级别，它们主要涉及对CPU资源的访问权限。
用户态：用户态下的程序只能访问自己的资源，如内存、文件等，不能直接访问硬件资源（如I/O设备）。当需要进行I/O操作时，通常需要通过系统调用切换到内核态来执行与硬件相关的操作。这种转换会涉及到CPU状态的变化，但并不会导致频繁的CPU变态操作。
内核态：内核态下的程序可以访问所有的硬件资源和所有其他进程的资源。当一个进程需要与硬件进行交互时（如输入/输出操作），它需要通过系统调用切换到内核态来完成这些操作。同样地，当一个进程需要访问另一个进程的资源时，它也需要切换到内核态来实现这些操作。虽然在内核态下进行的操作频繁，但操作系统会通过各种优化手段来保证系统的性能和响应速度。
对于你提到的视频播放问题，确实需要进行频繁的I/O操作将画面输出到屏幕上。但是，这些操作并不是由用户态下的程序直接执行的，而是由操作系统负责调度和管理。操作系统会根据系统的负载情况来决定何时将任务切换到用户态或内核态执行相应的操作。因此，用户态并不会因为频繁的I/O操作而受到很大的影响，而且绝大多数用户态下的指令都可以在内核态下辅助执行。
希望这个解释能够帮助你理解操作系统中用户态和内核态的区别以及它们在资源访问方面的作用。如果你还有其他问题，欢迎继续提问！