https://www.cnblogs.com/myseries/p/12056078.html
现代操作系统采用虚拟存储器，对于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）。操作系统的核心是内核，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权限。为了保证用户进程不能直接操作内核，保证内核安全，操作系统将虚拟空间划分为两部分，一部分是内核空间，一部分是用户空间。针对Linux操作系统，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。每个进程都可以通过系统调用进入到内核。其中在Linux系统中，进程的用户空间是独立的，而内核空间是共有的，进程切换时，用户空间切换，内核空间不变。

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。
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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。
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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。
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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。
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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。

1.内核空间和用户空间

这两个概念对于初次接触的小伙伴来说并不是很好理解，举个简单例子如下图：
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上图中的储户是没法直接从金库中存钱获取取钱的，如果这么做了，那么就非法了。这里用户空间相当于储户，内核空间相当于银行职员，而硬盘相当于金库，也就是用户空间中的进程没法直接操作读写硬盘中的数据，我们需要通过内核空间来处理，这样对于这两个概念应该会容易理解些。

2.普通IO操作

了解了用户空间和内核空间的概念和作用后我们来看下普通IO的执行原理。
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根据上图，当进程请求一个I/O操作，它会执行一个系统(open() , read() , writer() , close())调用将控制权移交给内核。当内核以这种方式被调用，它随即采取任何必要步骤，找到进程所需数据，并把数据传送到用户空间内指定的缓冲区中，这时常规进程就可以对缓冲区中的数据处理操作了，而内核试图对数据进行高速缓存或预读取，因此进程所需数据可能已经在内核空间里了，如果是这样，该数据只需简单地拷贝出来即可，如果数据不在内核空间，则进程被挂起，内核着手把数据读进内场。

从用户态到内核态切换可以通过三种方式：

  1. 系统调用，这个上面已经讲解过了，在我公众号之前的文章也有讲解过。其实系统调用本身就是中断，但是软件中断，跟硬中断不同。
  2. 异常：如果当前进程运行在用户态，如果这个时候发生了异常事件，就会触发切换。例如：缺页异常。
  3. 外设中断：当外设完成用户的请求时，会向CPU发送中断信号。