linux中的用户空间与内核空间

在操作系统中，虚拟内存通常会被分成用户空间（英语：User space，又译为使用者空间），与核心空间（英语：Kernel space，又译为内核空间）这两个区块。
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）。

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。

Linux简化了分段机制，使得虚拟地址与线性地址总是一致，因此，Linux的虚拟地址空间也为0～4G。Linux内核将这4G字节的空间分为两部分：
将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为“内核空间”；
而将较低的3G字节（从虚拟地址 0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为“用户空间 ）。

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 + 1
file.write(str) // 切换到内核空间

y = x + 2 // 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。

其中，第一项0.0 us（user 的缩写）就是 CPU 消耗在 User space 的时间百分比，第二项3 .2 sy（system 的缩写）是消耗在 Kernel space 的时间百分比。

其他 6 个指标的含义如下:

• 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

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]
User space 与 Kernel space
User space