Windowsのカーネルモードとユーザーモードの違い

プロセッサはユーザー モードまたはカーネル モードでプログラムを実行します。 PC を使用するとき、プロセッサは、実行内容に応じて、これら 2 種類のモードを頻繁に切り替えます。しかし、ユーザー モードとカーネル モードとは何でしょうか?これら 2 つのモードの違いは何ですか? CPU がこれらのモードを切り替える必要があるのはなぜですか。

Windows のユーザー モードとは何ですか?

Windowsのユーザーモード

Windows でプログラムを起動すると、そのプログラムはユーザー モードで起動します。ユーザー モードのプログラムを実行しようとするたびに、Windows はそのプログラムのプロセスを作成します。プロセスとは、プロセッサが実行しているプログラム、または Windows が実行をスケジュールしたプログラムにすぎません。また、Windows がプロセスを作成するたびに、そのプロセスの仮想アドレス空間も作成されます。

仮想アドレス空間は、Windows がプロセスに割り当てる論理 (非物理) アドレスのセットです。プロセスはこれらのアドレスを使用してデータを物理メモリに保存できます。

さらに、仮想アドレス空間は分離されます。したがって、あるプロセスの仮想アドレス空間は、別のプロセスのアドレス空間に干渉しません。また、ユーザー モードのプログラムは個別のアドレス空間を持っているため、1 つのプログラムがクラッシュしても、そのプログラムだけがクラッシュし、他のプログラムやオペレーティング システム全体に影響を与えることはありません。

ユーザー モード アプリケーションを説明する別の方法は、「特権が低い」という用語を使用することです。 Windows では、ユーザー モード アプリケーションが重要なシステム リソースに直接アクセスすることを制限しているため、アプリケーションの特権が低くなります。たとえば、アプリケーションがハードウェアにアクセスしたい場合、システム コール (コンピューター プログラムがオペレーティング システムのカーネルにサービスを要求するプログラミング スタイル) を使用して OS カーネルを経由して実行される必要があります。

簡単に言えば、ビデオ ゲームなどのアプリケーション プログラムはユーザー モードで実行されます。彼らには権限がほとんどないため、システム リソースに無制限にアクセスすることはできません。各ユーザー モード アプリケーションには独自のアドレス空間があります。アプリケーションは別のアプリケーションのアドレス空間を変更できません。したがって、1 つのアプリケーションがクラッシュしても、コンピューター上で実行されている他のプログラムには影響しません。

Windows のカーネル モードとは何ですか?

Windowsのカーネルモード

カーネル モードについて説明する前に、まず「カーネル」とは何か、そしてそれが Windows でどのように動作するかを知る必要があります。

カーネルはオペレーティング システムの頭脳です。これは、オペレーティング システム内の他のすべてのコンポーネントが依存するコア ソフトウェア コンポーネントです。カーネルは、コンピュータ ハードウェアを管理し、コンピュータ上での実行をスケジュールし、ハードウェアとアプリケーション ソフトウェア間の相互作用を処理します。

つまり、カーネルはハードウェアと直接対話するコードであるため、システム上で実行されるコードの中で最も特権が与えられています。ハードウェア リソースを使用する他のプログラムは、カーネル経由でアクセスを要求する必要があります。

アプリケーション プログラムがユーザー モードで実行中で、Web カメラなどのハードウェアにアクセスしたい場合は、システム コールを使用してカーネルを要求する必要があります。これらの要求に応えるために、CPU はプログラム実行時にユーザー モードからカーネル モードに切り替わります。

実行が完了すると、CPU はユーザー モードに戻り、次にスケジュールされたプロセスの実行を開始します。これを「コンテキストスイッチング」と呼びます。

ユーザーモードとカーネルモードの違いは何ですか?

ユーザー モードとカーネル モードの主な違いは、各モードが提供する特権のレベルです。ユーザー モードでは、アプリケーションの権限が少なくなります。これらはハードウェア リソースに直接アクセスできず、他のアプリケーションのアドレス空間に書き込むこともできません。

カーネル モードで実行されるコードには、昇格された特権が与えられます。コンピューター ハードウェアに直接アクセスできるだけでなく、オペレーティング システムを含むカーネル モードで実行されるすべてのプログラムもアドレス空間を共有します。したがって、カーネル モードのプログラムがクラッシュすると、オペレーティング システム全体がクラッシュする可能性があります。このような問題が発生しないようにするために、Windows では一部のプロセスのみがカーネル モードで実行できるようにしています。

Windows は、ユーザー プログラムをシステム リソースから分離するために階層化されたアプローチを採用しています。

Windows は、階層化モデルを使用してプロセスの特権レベルを決定します。最外層に位置するアプリケーションがレンタル権限を持つアプリケーションである。これらの層の中核はカーネルです。したがって、カーネルはオペレーティング システムのリソースに無制限にアクセスできます。

階層化されたアプローチにより、オペレーティング システムの重要な機能も保護されます。上位層のプログラムがランダムにクラッシュしても、オペレーティング システムには影響しません。一方、カーネルがクラッシュすると、オペレーティング システム全体が影響を受けます。