Linux 上的 User space(用户空间)和 Kernel space(内核空间)

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操作系统中,虚拟内存通常会被分成用户空间英语User space,又译为用户空间),与核心空间英语Kernel space,又译为内核空间)这两个区段。

这是存储器保护机制中的一环。内核核心扩充(kernel extensions)、以及驱动程序,运行在核心空间上。而其他的应用程序,则运行在用户空间上。所有运行在用户空间的应用程序,都被统称为用户级(userland)。
详细定义见:User Space DefinitionKernel Space Definition 

学习 Linux 时,经常可以看到两个词:User space(用户空间)和 Kernel space(内核空间)。
简单说,Kernel space 是 Linux 内核的运行空间,User space 是用户程序的运行空间。为了安全,它们是隔离的,即使用户的程序崩溃了,内核也不受影响。

User space(用户空间)和 Kernel space(内核空间)

Kernel space 可以执行任意命令,调用系统的一切资源;User space 只能执行简单的运算,不能直接调用系统资源,必须通过系统接口(又称 system call),才能向内核发出指令。

str = "my string" // 用户空间
x = x + 2
file.write(str) // 切换到内核空间

y = x + 4 // 切换回用户空间

上面代码中,第一行和第二行都是简单的赋值运算,在 User space 执行。第三行需要写入文件,就要切换到 Kernel space,因为用户不能直接写文件,必须通过内核安排。第四行又是赋值运算,就切换回 User space。
查看 CPU 时间在 User space 与 Kernel Space 之间的分配情况,可以使用top命令。它的第三行输出就是 CPU 时间分配统计。

top命令

这一行有 8 项统计指标。

CPU 时间分配统计

其中,第一项24.8 us(user 的缩写)就是 CPU 消耗在 User space 的时间百分比,第二项0.5 sy(system 的缩写)是消耗在 Kernel space 的时间百分比。
随便也说一下其他 6 个指标的含义。

  • ni:niceness 的缩写,CPU 消耗在 nice 进程(低优先级)的时间百分比
  • id:idle 的缩写,CPU 消耗在闲置进程的时间百分比,这个值越低,表示 CPU 越忙
  • wa:wait 的缩写,CPU 等待外部 I/O 的时间百分比,这段时间 CPU 不能干其他事,但是也没有执行运算,这个值太高就说明外部设备有问题
  • hi:hardware interrupt 的缩写,CPU 响应硬件中断请求的时间百分比
  • si:software interrupt 的缩写,CPU 响应软件中断请求的时间百分比
  • st:stole time 的缩写,该项指标只对虚拟机有效,表示分配给当前虚拟机的 CPU 时间之中,被同一台物理机上的其他虚拟机偷走的时间百分比

如果想查看单个程序的耗时,一般使用time命令。

time命令

程序名之前加上time命令,会在程序执行完毕以后,默认显示三行统计。

  • real:程序从开始运行到结束的全部时间,这是用户能感知到的时间,包括 CPU 切换去执行其他任务的时间。
  • user:程序在 User space 执行的时间
  • sys:程序在 Kernel space 执行的时间

user和sys之和,一般情况下,应该小于real。但如果是多核 CPU,这两个指标反映的是所有 CPU 的总耗时,所以它们之和可能大于real。

参考资料

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本文原文出处:业余草: » Linux 上的 User space(用户空间)和 Kernel space(内核空间)