什么是操作系统的执行环（Execution Rings）

操作系统的执行环（Execution Rings），也称为保护环（Protection Rings），是一种分层的安全机制，用于控制计算机中不同权限级别的代码访问系统资源的权限。这种机制通过分配不同的权限级别，保护系统的核心资源，防止恶意程序或用户未经授权访问敏感数据。执行环的概念广泛应用于现代操作系统和处理器架构中，如x86架构。

执行环的基本概念

执行环通常分为多个“环”级别，最常见的模型是将权限划分为四个环：Ring 0（最高权限）到 Ring 3（最低权限）。每个环代表一个权限级别，权限越高的环可以访问和控制越多的系统资源。以下是四个环级的基本说明：

Ring 0（核心态/Kernal Mode）

1、Ring 0 是权限最高的执行环，操作系统的内核代码和核心服务在这个层级中运行。
2、它拥有对所有系统资源（包括内存、硬件设备、CPU指令等）的完全访问权限。
3、由于 Ring 0 拥有最高权限，因此也称为核心态（Kernel Mode）。系统内核和驱动程序通常在这个环中执行。

Ring 1 和 Ring 2（较高权限级别）

1、Ring 1 和 Ring 2 是权限介于 Ring 0 和 Ring 3 之间的执行环，通常用于特权较高的系统服务或设备驱动程序。
2、在现代操作系统中，Ring 1 和 Ring 2 的用途相对较少，一些操作系统甚至不使用这两个级别，直接将较低权限的代码运行在 Ring 3 中。
3、这些环可以被用于运行一些特权需求较低的系统任务，以减少对系统核心的直接访问。

Ring 3（用户态/User Mode）

1、Ring 3 是权限最低的执行环，应用程序和用户进程在此环中运行。
2、Ring 3 无法直接访问硬件资源和内存空间，必须通过系统调用（System Call）请求操作系统内核的服务来完成硬件访问。
3、这种限制保护了系统内核，防止普通用户程序直接修改系统资源。

为什么使用执行环？

执行环的分层机制使得操作系统能够有效地控制和限制系统中不同级别代码的权限，主要好处包括：

安全性：将应用程序和系统核心隔离，防止用户程序直接访问或破坏内核数据。
稳定性：如果用户态程序崩溃，不会影响内核的稳定性，因为它在较低权限的执行环中运行，无法干涉核心系统资源。
权限管理：只有特权较高的环级（如 Ring 0）能够直接控制硬件设备和资源，保证了对系统资源的严格控制。

执行环的实现

在操作系统中，执行环通过硬件（如CPU）支持的特权级别实现。现代CPU（如x86架构）提供了不同的特权级别，支持操作系统实现多层次的保护机制。以下是常见实现方式：

CPU特权级别：在x86等处理器中，提供四个特权级别（从0到3），对应不同的执行环。
内存保护：通过内存管理单元（MMU）控制不同特权级别的进程访问内存的权限，以防止低权限代码访问高权限内存区域。
系统调用：用户态程序通过系统调用（如 int 80h 指令）请求内核服务。系统调用将程序权限提升到 Ring 0，完成请求后再降回 Ring 3。

举例说明：用户程序与内核的交互

用户程序执行：用户程序在 Ring 3 中运行，需要访问文件或打印设备时，无法直接访问系统资源。
系统调用：用户程序通过系统调用请求操作系统服务。CPU切换到Ring 0，执行内核代码，完成文件操作。
返回用户态：操作完成后，CPU切换回Ring 3，返回用户态继续执行用户程序。

现代操作系统的执行环模型

许多现代操作系统（如Windows、Linux）只使用两个主要的执行环：Ring 0和Ring 3。Ring 1和Ring 2在设计中基本不被使用，因为系统简化了特权管理，将用户代码与内核代码明确分开，以提高效率和安全性。

总结

执行环是计算机操作系统中管理权限和保护系统资源的一种分层机制。通过将操作系统内核和用户程序分配到不同的环级，可以有效地控制系统资源的访问权限，保证操作系统的安全性和稳定性。