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c++去new一个对象需要切换到内核态吗？
要回答这个问题，首先需要对两个概念有所了解，用户态和内核态。
01
用户态VS内核态
在现代操作系统中，CPU 通常有两个主要的执行模式：用户态（user mode）和 内核态（kernel mode）。
用户态：普通应用程序运行在用户态，不能直接访问硬件资源，也不能直接进行诸如内存管理、I/O 操作等敏感操作。
内核态：操作系统内核运行在内核态，具有对所有资源的完全控制权，可以直接操作硬件。内核态提供系统调用（system call）接口，允许用户态程序请求内核完成某些任务。
其实本质上就是CPU 指令集权限不同，以 Inter CPU 为例，Inter把 CPU 指令集 操作的权限由高到低划为4级：ring0 ring1 ring2 ring3其中 ring0 权限最高，可以使用所有 CPU 指令集，ring3 权限最低，仅能使用常规 CPU 指令集，不能使用操作硬件资源的 CPU 指令集，比如 I O 读写、网卡访问、申请内存都不行，Linux系统仅采用ring 0 和 ring 3 这2个权限。
当一个应用程序需要执行某些需要特权才能完成的操作（如读写文件、网络通信等）时，它会发起一个系统调用。这个过程通常包括以下几个步骤：
系统调用陷阱（System Call Trap）：应用程序通过一个特殊的指令（如Intel x86架构上的int $0x80）发起系统调用。这个指令会导致CPU从用户态切换到内核态。内核态执行：切换到内核态后，CPU开始执行内核提供的系统调用处理程序。这些处理程序可以执行特权指令，并访问内核数据结构。执行结果返回：系统调用完成后，处理程序会将结果传递给用户空间的应用程序，并将控制权交还给用户态。
从用户态切换到内核态。这种切换开销相对较大，因为需要进行上下文切换、权限检查等操作。
02
new操作符的工作流程
C++ 中的new操作符用于在堆（heap）上动态分配内存。其工作原理可分为两个步骤：
1. 分配内存：new操作符调用内存分配函数（如 malloc 或 operator new）为对象分配足够的内存。
2. 调用构造函数：内存分配完成后，new操作符会调用对象的构造函数对该内存区域进行初始化。
内存分配是关键步骤，决定了是否会发生用户态到内核态的切换。
一：用户态内存分配
C++ 的内存管理通常依赖于标准库提供的堆管理机制。在大多数情况下，内存管理在用户态中完成。C++ 中常用的分配函数（如 malloc 或底层的 operator new）首先从用户态分配器管理的内存池中获取内存。内存池本质上是从操作系统申请到的虚拟地址空间，操作系统为该进程维护着一个虚拟内存的堆区域，这个区域通常已经预先分配了相当多的内存页。
在这种情况下，内存分配是纯粹的用户态操作，没有发生任何系统调用或用户态到内核态的切换。
二：内存不足时的内核态切换
当用户态的堆内存池不足时（例如进程首次分配大块内存，或已分配的堆区域被用完），内存分配器需要向操作系统请求更多的内存。在 UNIX/Linux 系统中，这种操作通常通过以下系统调用完成：
brk/sbrk：这些系统调用用于调整进程的数据段（包括堆）的边界，通常扩展堆的大小。
mmap：用于在进程地址空间中映射新的内存区域，特别是在分配大块内存时。
这些系统调用需要切换到内核态，因为内核是负责管理进程虚拟地址空间和物理内存的。当调用 brk或 mmap时，内核会修改进程的内存映射表，为其分配新的内存页，确保新分配的内存是可用的。
因此，当堆内存池耗尽并需要扩展时，new操作符会间接引发用户态到内核态的切换。
三：内存分配器优化
为了减少频繁的用户态到内核态切换，许多现代内存分配器（如 tcmalloc、jemalloc等）进行了大量优化：
分配大块内存：分配器一次性向操作系统申请大块内存，避免频繁的系统调用。
内存碎片管理：分配器会合理管理小块内存的分配和回收，减少大块内存的浪费。
多线程优化：一些分配器还针对多线程环境进行了优化，减少线程间竞争带来的开销。
四：代码示例：
int main() {// 分配一个小对象int* smallObj = new int;// 分配一个大对象int* largeObj = new int[1000000000]; // 分配大块内存delete smallObj;delete[] largeObj;return 0;}
smallObj的分配通常会在用户态内存池中进行，不会触发内核态切换。
largeObj的分配由于内存需求较大，可能会导致用户态到内核态的切换，特别是如果当前堆空间不足时。
03
总结
new操作符本身并不会直接导致用户态到内核态的切换。通常情况下，内存分配是在用户态完成的，尤其是当内存分配器能够从现有的内存池中获取到足够的内存时。然而，当堆内存耗尽或需要更大的内存块时，分配器需要向操作系统请求更多内存，这时会发生内核态的切换。
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