理解保护模式：特权级详解与安全机制

"深入理解操作系统的保护模式，特别是特权级的概念，是系统开发的关键。文档主要讲解了特权级的检查机制，以及与之相关的门、调用流程和权限检查等内容，适用于操作系统自制或学习者。 一、特权级回顾 在保护模式下，CPU引入了特权级的概念，将程序的权限分为0、1、2、3四个等级，其中0级拥有最高的权限，通常用于操作系统内核，而3级为最低特权级，对应用户应用程序。Linux系统中主要使用0级（内核态）和3级（用户态）。 二、特权级检查 特权级检查的核心在于防止用户程序非法访问内核。当CPU的段寄存器加载新的段选择子时，会检查访问者的特权级（CPL）与被访问对象的特权级（DPL）。如果CPL大于DPL，则访问被禁止。CPL代表当前处理器的特权级，DPL则设定于段描述符或门描述符，表示资源的访问门槛。 三、门机制 门是实现不同特权级之间切换的结构，分为中断门、陷阱门（陷阱是软中断）和调用门。门描述符包含了DPL字段，用于控制哪个特权级的代码可以触发门的跳转。 四、调用门的跳转执行流程 1. 当调用门被触发时，CPU首先会检查调用门的RPL（请求特权级）与当前CPL的关系。 2. 如果RPL小于CPL，表示请求降低特权级，允许跳转。 3. 如果RPL大于或等于CPL，表示请求保持或提高特权级，只有当目标门的DPL小于或等于RPL时才允许跳转。 4. 跳转时，CPU会更新栈指针，保存当前状态，并加载新段选择子，从而切换到新的特权级执行。 五、权限检查 特权级检查不仅发生在段选择子的加载，还发生在通过门进行的上下文切换。RPL字段在选择子中定义了请求访问的权限级别，它区分了主动请求改变特权级的情况，如从用户态到内核态的系统调用，或是保持相同特权级的进程间通信。 特权级检查是保护模式下确保系统安全的重要机制，通过CPL、DPL和RPL的配合，实现了对内存访问的严格控制，防止了非法操作，确保了操作系统的稳定性和安全性。对于操作系统开发者来说，深入理解和掌握这些概念是构建安全、高效系统的基础。