Linux：User space 與 Kernel space

學習 Linux 時，常常能夠看到兩個詞：User space（用戶空間）和 Kernel space（內核空間）。

簡單說，Kernel space 是 Linux 內核的運行空間，User space 是用戶程序的運行空間。爲了安全，它們是隔離的，即便用戶的程序崩潰了，內核也不受影響。

Kernel space 能夠執行任意命令，調用系統的一切資源；User space 只能執行簡單的運算，不能直接調用系統資源，必須經過系統接口（又稱 system call），才能向內核發出指令。

str = "my string" // 用戶空間
x = x + 2 // 用戶空間
file.write(str) // 切換到內核空間
y = x + 4 // 切換回用戶空間

上面代碼中，第一行和第二行都是簡單的賦值運算，在 User space 執行。第三行須要寫入文件，就要切換到 Kernel space，由於用戶不能直接寫文件，必須經過內核安排。第四行又是賦值運算，就切換回 User space。

查看 CPU 時間在 User space 與 Kernel Space 之間的分配狀況，可使用top
命令。它的第三行輸出就是 CPU 時間分配統計。

這一行有 8 項統計指標。

其中，第一項24.8 us（user 的縮寫）就是 CPU 消耗在 User space 的時間百分比，第二項0.5 sy（system 的縮寫）是消耗在 Kernel space 的時間百分比。

隨便也說一下其餘 6 個指標的含義。

• ni：niceness 的縮寫，CPU 消耗在 nice 進程（低優先級）的時間百分比
• id：idle 的縮寫，CPU 消耗在閒置進程的時間百分比，這個值越低，表示 CPU 越忙
• wa：wait 的縮寫，CPU 等待外部 I/O 的時間百分比，這段時間 CPU 不能幹其餘事，可是也沒有執行運算，這個值過高就說明外部設備有問題
• hi：hardware interrupt 的縮寫，CPU 響應硬件中斷請求的時間百分比
• si：software interrupt 的縮寫，CPU 響應軟件中斷請求的時間百分比
• st：stole time 的縮寫，該項指標只對虛擬機有效，表示分配給當前虛擬機的 CPU 時間之中，被同一臺物理機上的其餘虛擬機偷走的時間百分比

若是想查看單個程序的耗時，通常使用time命令。

 

程序名以前加上time命令，會在程序執行完畢之後，默認顯示三行統計。

• real：程序從開始運行到結束的所有時間，這是用戶能感知到的時間，包括CPU切換去執行其餘任務的時間。
• user：程序在 User space 執行的時間
• sys：程序在 Kernel space 執行的時間

user和sys之和，通常狀況下，應該小於real。但若是是多核 CPU，這兩個指標反映的是全部 CPU 的總耗時，因此它們之和可能大於real。

User space vs kernel space