了解Linux：用户空间与内核空间的区别 (linux 用户空间和内核空间)

在使用Linux时，经常会听到用户空间和内核空间这两个术语，这是因为Linux是一种以分层和分离的方式构建的操作系统，这个架构需要用户空间和内核空间。在这篇文章中，我们将深入探讨这两种空间的具体含义及其重要性。

用户空间和内核空间是Linux操作系统中的两个主要部分，Linux将所有进程分为两类：用户进程和内核进程。用户进程通常是由用户运行的程序，例如浏览器或文本编辑器，而内核进程则是由内核直接运行并执行各种任务的程序。用户空间是用户进程在其中运行的空间，而内核空间是用于执行内核进程的空间。

在Linux中，内核是操作系统的核心组件，其主要功能是管理系统的硬件和资源。内核空间包含内核代码和进程，这些进程在系统启动时就会启动，而且会在系统关闭时关闭。虽然用户空间和内核空间物理上是在同一台计算机中，但这两个空间被分开管理，以保障系统的可靠性和安全性。

用户空间是Linux操作系统中的重要组成部分，在这个空间中，运行着大量的应用程序和用户进程。这些程序可以通过系统调用（system call）访问内核空间中的资源，如文件系统、网络、设备驱动程序等。例如，当一个程序需要从硬盘中读取数据时，它可以通过内核空间的文件系统来完成此操作。

尽管内核是操作系统的核心组成部分，但它的主要目标是确保系统的正常运行。因此，为了保障系统的安全性和可靠性，在Linux内核中不允许用户程序直接访问内核空间。如果允许用户程序直接访问内核空间，会对系统造成很大的风险并降低系统的安全性。

因此，在Linux中，内核空间与用户空间是分离的。内核空间只能由内核程序访问和改变，而用户空间只能由用户程序访问和改变。这种分离使得内核能够专注于管理系统资源，而用户程序不会影响到内核的运行，有效地提高了系统的安全性以及可靠性。

此外，用户程序在用户空间中运行，相比于内核空间，它们的操作速度更快。因为用户程序无需像内核那样执行复杂的进程切换和内存管理，所以它们可以更快地对硬件进行访问。而当用户程序需要访问内核资源时，通过系统调用请求就能够在高效的性能下访问到内核空间。

用户空间和内核空间是Linux操作系统中两种不同的空间。用户空间是用户在其中运行程序的空间，而内核空间是执行内核操作的空间。这两个空间是由操作系统分离的，以确保系统的安全性和可靠性，用户程序通过系统调用访问内核空间中的资源，使得系统运行更加高效。只有在深入理解用户空间和内核空间的区别及其作用后，才能更好地实现 Linux 操作系统的效率优化以及安全性保障。

相关问题拓展阅读：

• Linux用户空间内存分配原则？
• 为什么把进程的地址空间划为内核空间和用户空间

Linux用户空间内存分配原则？

在用户空间中动态申请内存的函数为malloc ()，这个函数在各种操作系统上的使用都是一致的，malloc ()申请的内存的释放函数为free()。对于Linux而言，C库的malloc ()函数一般通过brk ()和mmap ()两个系统调用从内核申请内存。由于用户空间C库的malloc算法实际上具备一个二次管理能力，所以并磨族不是每次申请和释放内存都一定伴随着对内核的系统调用。如，应用程序可以从内核拿到内存后，立即调用free()，由于free()之前调用了mallopt(M_TRIM_THRESHOLD，一1）和mallopt (M_MMAP_MAX，0)，这个free ()并不会把内存还给内核，而只是还给了C库的分配算法（内存仍然属于这个进程)，因此之后所有的动态内存申请和慧早释放都在用户态下进行。另外，Linux内核总是采用按需调页（Demand Paging)，因此当malloc ()返回的时候，虽然是成功返回，但是内核并没有真正给这个进程内存，这个时候如果去读申请的内存，内容全部是0，这个页面的映射是只读的。只有当前游雀写到某个页面的时候，内核才在页错误后，真正把这个页面给这个进程。在Linux内核空间中申请内存涉及的函数主要包括kmalloc( ) 、get free pages ( )和vmalloc ()等。kmalloc ()和_get_free pages ()(及其类似函数）申请的内存位于DMA和常规区域的映射区，而且在物理上也是连续的，它们与真实的物理地址只有一个固定的偏移，因此存在较简单的转换关系。而vmalloc()在虚拟内存空间给出一块连续的内存区，实质上，这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续，而vmalloc (）申请的虚拟内存和物理内存之间也没有简单的换算关系。

为什么把进程的地址空间划为内核空间和用户空间

我们清升罩知道现在操作系统都是采用虚拟存储器，那么对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）。操心系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核，保证内核的安全，操心系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。针对linux操作系统而言，将更高的1G字节（从虚拟地址0xC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0x到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核由系统内的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间

需要注意的细节问题：

（1） 内核空间中存放的是内核代码和数据，而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间，它们都处于虚拟空间中。

（2） Linux使用两级保护机制：0级供内核使用，3级笑隐供用户程序使用。

内核态与用户态：

（1）当一个答闹任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，称进程处于内核运行态（内核态）。此时处理器处于特权级更高的（0级）内核代码中执行。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。

（2）当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。此时处理器在特权级更低的（3级）用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。

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