特权模式切换
特权模式切换（也称为模式切换或环境切换）是指在操作系统中，CPU从用户模式（非特权模式）切换到内核模式（特权模式）的过程。用户模式是限制环境，其中运行的代码不能直接执行影响系统整体稳定性和安全性的操作，例如访问硬件设备或修改关键的系统数据。相反，内核模式允许代码执行任何CPU指令和访问所有的内存空间。操作系统的核心（内核）运行在内核模式下，提供了一组服务（通过系统调用）给用户模式下的应用程序使用。
特权模式切换的触发
特权模式切换通常由以下几种情况触发：
- 系统调用：当用户程序请求操作系统提供的服务时，比如文件操作、进程控制或网络通信，它会通过系统调用请求内核代为执行。这要求从用户模式切换到内核模式。
- 中断和异常：当发生硬件中断（如I/O完成通知）或异常（如无效内存访问）时，处理器会自动切换到内核模式来处理这些事件。
- 信号：在类Unix系统中，信号的处理也可能导致用户态到内核态的切换，尽管这通常隐含在系统调用或中断处理过程中。
从上下文切换的角度解释
从上下文切换的角度看，特权模式切换不同于进程上下文切换。进程上下文切换涉及当前CPU上执行的进程切换，包括保存当前进程的状态和加载新进程的状态。而特权模式切换通常发生在同一个进程的上下文内部，即从该进程的用户模式切换到内核模式执行一些操作，然后再切换回用户模式继续执行。
尽管特权模式切换比进程上下文切换轻量，但它仍然涉及到一定的开销，包括：
- 保存和恢复寄存器状态。
- 更新程序计数器（PC）和堆栈指针（SP）。
- 可能的TLB（Translation Lookaside Buffer）和缓存失效。
为了减少这种开销，现代操作系统和CPU设计采用了多种优化技术，如快速系统调用（如Linux的vsyscall和Windows的SYSENTER指令）。
特权模式切换是操作系统实现保护模式、隔离用户空间和内核空间，以及提供安全、稳定运行环境的关键机制。理解这一概念对于深入学习操作系统原理和系统编程非常重要。