User space 与 Kernel space

作者: 阮一峰

日期: 2016年12月 2日

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。

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。

这一行有 8 项统计指标。

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。

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

usersys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

[参考链接]

(完)

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留言(22条)

第一张图片太大,1366的屏幕直接撑开了。

要是还能够更深入就更赞了(比如如何查看用户态和内核态之间的切换次数?),不过挺不错的了,学习了。

看到kernel space以为是RKHS (汗)

其实linux下直接执行time,是bash内置的功能,除了bash内置的这个time,还有一个命令time,输出略有不同:
[root@hp103 ~]# time ls
acng anaconda-ks.cfg apt-cacher-ng-0.8.9-1.el7.x86_64.rpm install.log install.log.syslog rhel-server-6.5-x86_64-dvd.iso tinc-1.0.24-1.el6.x86_64.rpm

real 0m0.007s
user 0m0.000s
sys 0m0.007s
[root@hp103 ~]# /usr/bin/time ls
acng anaconda-ks.cfg apt-cacher-ng-0.8.9-1.el7.x86_64.rpm install.log install.log.syslog rhel-server-6.5-x86_64-dvd.iso tinc-1.0.24-1.el6.x86_64.rpm
0.00user 0.00system 0:00.00elapsed 0%CPU (0avgtext+0avgdata 3504maxresident)k
0inputs+0outputs (0major+256minor)pagefaults 0swaps
[root@hp103 ~]#

其他的都见过,唯有niceness从没见过值上升。

刚刚好,不错。最近运维 Linux 确实时常需要使用 top 命令。参考文章里的英文文章解释得更详细,有必要拜读。

好文,不过再多讲一些更好

参考文章的确很有料

相比之前这次讲的确实有点少了:)

最近在学操作系统,正好学到这儿,操作系统的程序和数据是通过进程的手段去控制运行的,因为CPU是多任务的,每个进程要保持独立性,所以要有自己的内存空间,而Linux因为考虑安全问题,把进程的内存空间分为user和system。^-^,不知道说的对不对

如果不理解的人,看这个说明我觉得应该还是一头雾水。大侠这个概念应该能讲的更加深入,两者之间的区别啥的。

我是菜鸟,我理解用户态与内核态的区别在于能访问的地址空间不同、能执行的指令集不同。

很幸运,能看到你的文章,真的是深入浅出,另外您有时间写一篇关于CDN技术的文章呗!

这里的双方的"空间" 具体指的是"内存空间"么
?

使用JS说明什么运行于用户空间,什么运行于内核空间,有点过于不精确。用户进程中的基本运算,普通函数调用都是用户空间。即使是调用read(2),write(2),fork(2),exec(2)这些函数时,仍然有很多代码是在用户空间运行的。

这个解释还是软件工程师的视角。从用户态运行到内核态的system call并不是函数调用的堆栈过程,而是CPU工作模式的一个硬件切换。

Kernel space 可以执行任意命令,调用系统的一切资源 -> 可能改成"kernel space可以執行比user space更高權限的動作"會比較好,因為現今系統大多還有更高級別的CPU state (virtulization & security),一般又比kernel space有更多權限。

老师写的计算机相关的内容,不但逻辑性强,而且生动形象。期待老师专门开个课讲下我们写了代码之后是怎么实现程序的功能的。 挑一种语言如java。

好些厉害,做项目搜索相关资料总是在你的文章中找到答案。特别是那片对字体编码讲解的真是行云流水。很想知道峰哥现在在做那一块。

top命令的八项指标之和不应该是100%吗?

最近入门学习Linux,刚可以参考。

之前没弄懂 现在明白很多了!

其实挺钦佩你的执着精神,世事洞明皆学问,人情练达即文章。

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