什么是用户态和内核态？
用户态和内核态是操作系统的两种运行状态。
1、用户态和内核态
内核态：处于内核态的 CPU 可以访问任意的数据，包括外围设备，比如网卡、硬盘等，处于内核态的 CPU 可以从一个程序切换到另外一个程序，并且占用 CPU 不会发生抢占情况。0 - 4G 范围的虚拟空间地址都可以操作，尤其是对 3-4G 范围的高位虚拟空间地址必须由内核态去操作
用户态：用户态就是提供应用程序运行的空间，为了使应用程序访问到内核管理的资源例如CPU，内存，I/O，用户态下的 CPU 不允许独占，也就是说 CPU 能够被其他程序获取。 内核必须提供一组通用的访问接口，这些接口就叫系统调用（下文会介绍）。用户态只能操作 0 - 3G 范围的低位虚拟空间地址
补充：3G - 4G 部分大家是共享的（指所有进程的内核态逻辑地址是共享同一块内存地址），是内核态的地址空间，这里存放在整个内核的代码和所有的内核模块，以及内核所维护的数据
每个进程的 4G 虚拟空间地址，高位 1G 都是一样的，即内核空间。只有剩余的 3G 才归进程自己使用，换句话说就是， 高位 1G 的内核空间是被所有进程共享的！
我们通过指令集权限区分用户态和内核态，还限制了内存资源的使用，操作系统为用户态与内核态划分了两块内存空间，给它们对应的指令集使用
2、形态的切换相关
2.1、什么样的操作会切换形态
从用户态到内核态切换可以通过三种方式，或者说会导致从用户态切换到内核态的操作：
系统调用：其实系统调用本身就是中断，但是软件中断，跟硬中断不同。系统调用机制是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，如 Linux 的 int 80h 中断。因为部分操作是软件无法提供的，是系统提供的操作接口给软件去调用，这个时候会切换到内核态。
系统调用有哪些呢？
进程控制相关： process control。指令:exit, fork
文件管理相关： file system control。指令:chmod,chown,open
设备、IO 操作相关：device control。指令:read,write
信息相关：比如说要获取 cpu相关的信息等。指令:getcpu
通信相关：比如说进程间的通信等。比如说管道就是一个系统调用。指令:pipe, mmap。
异常：如果当前进程运行在用户态，如果这个时候发生了异常事件，会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关进程中
外围设备中断：外围设备完成用户请求的操作之后，会向CPU发出中断信号，这时CPU会转去处理对应的中断处理程序。
2.2、切换的代价是什么
当发生用户态到内核态的切换时，会发生如下过程（本质上是从“用户程序”切换到“内核程序”）
- 设置处理器至内核态。
- 保存当前寄存器（栈指针、程序计数器、通用寄存器）。
- 将栈指针设置指向内核栈地址。
- 将程序计数器设置为一个事先约定的地址上，该地址上存放的是系统调用处理程序的起始地址。
而之后从内核态返回用户态时，又会进行类似的工作。
2.3、如何避免频繁切换
减少线程、进程切换
可以多使用"协程"
用户进程缓冲区
内核缓冲区
3、实际场景有什么
3.1、使用锁和无锁操作
因为线程的切换会导致用户态和内核态之间的切换，所以减少线程切换也会减少用户态和内核态之间的切换。那么如何减少线程切换呢？
- 无锁并发编程。多线程竞争锁时，加锁、释放锁会导致比较多的上下文切换。（为什么加锁和释放锁会导致上下文切换，看文末的补充解释）
- CAS算法。使用CAS避免加锁，避免阻塞线程
- 使用最少的线程。避免创建不需要的线程
- 协程。在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换
3.2、架构设计
这里比较抽象就不详细举例了
比如：
Disruptor 高性能队列设计 论文是《LMAX Disruptor: High performance alternative to bounded queues for exchanging data between concurrent threads》
4 补充
为什么加锁和释放锁会导致上下文切换
比如 Java 的 Synchronized 同步所是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的。但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock 来实现的。但是由于使用 Mutex Lock 需要将当前线程挂起并从用户态切换到内核态来执行，这种切换的代价是非常昂贵的因此，这种依赖于操作系统 Mutex Lock 所实现的锁我们称之为“重量级锁”。
