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在使用Linux時(shí)，經(jīng)常會(huì)聽到用戶空間和內(nèi)核空間這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)，這是因?yàn)長(zhǎng)inux是一種以分層和分離的方式構(gòu)建的操作系統(tǒng)，這個(gè)架構(gòu)需要用戶空間和內(nèi)核空間。在這篇文章中，我們將深入探討這兩種空間的具體含義及其重要性。
用戶空間和內(nèi)核空間是Linux操作系統(tǒng)中的兩個(gè)主要部分，Linux將所有進(jìn)程分為兩類：用戶進(jìn)程和內(nèi)核進(jìn)程。用戶進(jìn)程通常是由用戶運(yùn)行的程序，例如瀏覽器或文本編輯器，而內(nèi)核進(jìn)程則是由內(nèi)核直接運(yùn)行并執(zhí)行各種任務(wù)的程序。用戶空間是用戶進(jìn)程在其中運(yùn)行的空間，而內(nèi)核空間是用于執(zhí)行內(nèi)核進(jìn)程的空間。
在Linux中，內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心組件，其主要功能是管理系統(tǒng)的硬件和資源。內(nèi)核空間包含內(nèi)核代碼和進(jìn)程，這些進(jìn)程在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)就會(huì)啟動(dòng)，而且會(huì)在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)關(guān)閉。雖然用戶空間和內(nèi)核空間物理上是在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，但這兩個(gè)空間被分開管理，以保障系統(tǒng)的可靠性和安全性。
用戶空間是Linux操作系統(tǒng)中的重要組成部分，在這個(gè)空間中，運(yùn)行著大量的應(yīng)用程序和用戶進(jìn)程。這些程序可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用（system call）訪問(wèn)內(nèi)核空間中的資源，如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等。例如，當(dāng)一個(gè)程序需要從硬盤中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，它可以通過(guò)內(nèi)核空間的文件系統(tǒng)來(lái)完成此操作。
盡管內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心組成部分，但它的主要目標(biāo)是確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，為了保障系統(tǒng)的安全性和可靠性，在Linux內(nèi)核中不允許用戶程序直接訪問(wèn)內(nèi)核空間。如果允許用戶程序直接訪問(wèn)內(nèi)核空間，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成很大的風(fēng)險(xiǎn)并降低系統(tǒng)的安全性。
因此，在Linux中，內(nèi)核空間與用戶空間是分離的。內(nèi)核空間只能由內(nèi)核程序訪問(wèn)和改變，而用戶空間只能由用戶程序訪問(wèn)和改變。這種分離使得內(nèi)核能夠?qū)Ｗ⒂诠芾硐到y(tǒng)資源，而用戶程序不會(huì)影響到內(nèi)核的運(yùn)行，有效地提高了系統(tǒng)的安全性以及可靠性。
此外，用戶程序在用戶空間中運(yùn)行，相比于內(nèi)核空間，它們的操作速度更快。因?yàn)橛脩舫绦驘o(wú)需像內(nèi)核那樣執(zhí)行復(fù)雜的進(jìn)程切換和內(nèi)存管理，所以它們可以更快地對(duì)硬件進(jìn)行訪問(wèn)。而當(dāng)用戶程序需要訪問(wèn)內(nèi)核資源時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求就能夠在高效的性能下訪問(wèn)到內(nèi)核空間。
用戶空間和內(nèi)核空間是Linux操作系統(tǒng)中兩種不同的空間。用戶空間是用戶在其中運(yùn)行程序的空間，而內(nèi)核空間是執(zhí)行內(nèi)核操作的空間。這兩個(gè)空間是由操作系統(tǒng)分離的，以確保系統(tǒng)的安全性和可靠性，用戶程序通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用訪問(wèn)內(nèi)核空間中的資源，使得系統(tǒng)運(yùn)行更加高效。只有在深入理解用戶空間和內(nèi)核空間的區(qū)別及其作用后，才能更好地實(shí)現(xiàn) Linux 操作系統(tǒng)的效率優(yōu)化以及安全性保障。
相關(guān)問(wèn)題拓展閱讀：
- Linux用戶空間內(nèi)存分配原則？
- 為什么把進(jìn)程的地址空間劃為內(nèi)核空間和用戶空間
Linux用戶空間內(nèi)存分配原則？
在用戶空間中動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存的函數(shù)為malloc ()，這個(gè)函數(shù)在各種操作系統(tǒng)上的使用都是一致的，malloc ()申請(qǐng)的內(nèi)存的釋放函數(shù)為free()。對(duì)于Linux而言，C庫(kù)的malloc ()函數(shù)一般通過(guò)brk ()和mmap ()兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用從內(nèi)核申請(qǐng)內(nèi)存。由于用戶空間C庫(kù)的malloc算法實(shí)際上具備一個(gè)二次管理能力，所以并磨族不是每次申請(qǐng)和釋放內(nèi)存都一定伴隨著對(duì)內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用。如，應(yīng)用程序可以從內(nèi)核拿到內(nèi)存后，立即調(diào)用free()，由于free()之前調(diào)用了mallopt(M_TRIM_THRESHOLD，一1）和mallopt (M_MMAP_MAX，0)，這個(gè)free ()并不會(huì)把內(nèi)存還給內(nèi)核，而只是還給了C庫(kù)的分配算法（內(nèi)存仍然屬于這個(gè)進(jìn)程)，因此之后所有的動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)和慧早釋放都在用戶態(tài)下進(jìn)行。另外，Linux內(nèi)核總是采用按需調(diào)頁(yè)（Demand Paging)，因此當(dāng)malloc ()返回的時(shí)候，雖然是成功返回，但是內(nèi)核并沒有真正給這個(gè)進(jìn)程內(nèi)存，這個(gè)時(shí)候如果去讀申請(qǐng)的內(nèi)存，內(nèi)容全部是0，這個(gè)頁(yè)面的映射是只讀的。只有當(dāng)前游雀寫到某個(gè)頁(yè)面的時(shí)候，內(nèi)核才在頁(yè)錯(cuò)誤后，真正把這個(gè)頁(yè)面給這個(gè)進(jìn)程。在Linux內(nèi)核空間中申請(qǐng)內(nèi)存涉及的函數(shù)主要包括kmalloc( ) 、get free pages ( )和vmalloc ()等。kmalloc ()和_get_free pages ()(及其類似函數(shù)）申請(qǐng)的內(nèi)存位于DMA和常規(guī)區(qū)域的映射區(qū)，而且在物理上也是連續(xù)的，它們與真實(shí)的物理地址只有一個(gè)固定的偏移，因此存在較簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換關(guān)系。而vmalloc()在虛擬內(nèi)存空間給出一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，實(shí)質(zhì)上，這片連續(xù)的虛擬內(nèi)存在物理內(nèi)存中并不一定連續(xù)，而vmalloc (）申請(qǐng)的虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存之間也沒有簡(jiǎn)單的換算關(guān)系。
為什么把進(jìn)程的地址空間劃為內(nèi)核空間和用戶空間
我們清升罩知道現(xiàn)在操作系統(tǒng)都是采用虛擬存儲(chǔ)器，那么對(duì)32位操作系統(tǒng)而言，它的尋址空間（虛擬存儲(chǔ)空間）為4G（2的32次方）。操心系統(tǒng)的核心是內(nèi)核，獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序，可以訪問(wèn)受保護(hù)的內(nèi)存空間，也有訪問(wèn)底層硬件設(shè)備的所有權(quán)限。為了保證用戶進(jìn)程不能直接操作內(nèi)核，保證內(nèi)核的安全，操心系統(tǒng)將虛擬空間劃分為兩部分，一部分為內(nèi)核空間，一部分為用戶空間。針對(duì)linux操作系統(tǒng)而言，將更高的1G字節(jié)（從虛擬地址0xC到0xFFFFFFFF），供內(nèi)核使用，稱為內(nèi)核空間，而將較低的3G字節(jié)（從虛擬地址0x到0xBFFFFFFF），供各個(gè)進(jìn)程使用，稱為用戶空間。每個(gè)進(jìn)程可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核，因此，Linux內(nèi)核由系統(tǒng)內(nèi)的所有進(jìn)程共享。于是，從具體進(jìn)程的角度來(lái)看，每個(gè)進(jìn)程可以擁有4G字節(jié)的虛擬空間
需要注意的細(xì)節(jié)問(wèn)題：
（1） 內(nèi)核空間中存放的是內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)，而進(jìn)程的用戶空間中存放的是用戶程序的代碼和數(shù)據(jù)。不管是內(nèi)核空間還是用戶空間，它們都處于虛擬空間中。
（2） Linux使用兩級(jí)保護(hù)機(jī)制：0級(jí)供內(nèi)核使用，3級(jí)笑隱供用戶程序使用。
內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)：
（1）當(dāng)一個(gè)答鬧任務(wù)（進(jìn)程）執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時(shí)，稱進(jìn)程處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)（內(nèi)核態(tài)）。此時(shí)處理器處于特權(quán)級(jí)更高的（0級(jí)）內(nèi)核代碼中執(zhí)行。當(dāng)進(jìn)程處于內(nèi)核態(tài)時(shí)，執(zhí)行的內(nèi)核代碼會(huì)使用當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)核棧。每個(gè)進(jìn)程都有自己的內(nèi)核棧。
（2）當(dāng)進(jìn)程在執(zhí)行用戶自己的代碼時(shí)，則稱其處于用戶運(yùn)行態(tài)（用戶態(tài)）。此時(shí)處理器在特權(quán)級(jí)更低的（3級(jí)）用戶代碼中運(yùn)行。當(dāng)正在執(zhí)行用戶程序而突然被中斷程序中斷時(shí)，此時(shí)用戶程序也可以象征性地稱為處于進(jìn)程的內(nèi)核態(tài)。因?yàn)橹袛嗵幚沓绦驅(qū)⑹褂卯?dāng)前進(jìn)程的內(nèi)核棧。
關(guān)于linux 用戶空間和內(nèi)核空間的介紹到此就結(jié)束了，不知道你從中找到你需要的信息了嗎 ？如果你還想了解更多這方面的信息，記得收藏關(guān)注本站。
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