linuxのユーザモード時にはカーネルは動作していないですか？

Question

linuxの勉強を始めたばかりの初心者です。

OSとカーネルの関係がよくわかっていなかったのですが、本を読んでいたところ、「OSを構成するプログラムのうちカーネルモードで動作するプログラムの総称がカーネル」という意味のことが書いてありました。

なるほど！と思ったのですが、では、ユーザモードでCPUが動いている時にはカーネルは動いていないという解釈で良いでしょうか。「カーネルが動く」という表現をしばしば目にしますが、「カーネルが動く」＝「カーネルモードでCPUが動作している」と解釈しています。

Answer 1

ユーザモードでCPUが動いている時にはカーネルは動いていないという解釈で良いでしょうか。

いいえ。捉え方次第なところはあると思いますが、Linuxのようなマルチタスク、マルチユーザー、プリエンプティブなOSでは各プロセスの実行時間の配分に時分割（タイムスライス）も行います。ユーザーモードでプログラムが動いていてもタイマー割込み等やディスク、ネットワークアダプターなど他のデバイスからのI/Oで起動する割込みハンドラー、デバイスドライバーの実行で、カーネルモードのプログラムも実質的に常時、動いているかたちです。そうでないとマルチタスクが実現できないし、非同期に割り込んでくる外部デバイスからのデータの送受にも対応できません。

余談ですが、過去にはマイクロソフトWindows 3.x というノンプリエンプティブなGUI OSがありました。これなどはほとんどユーザーモードのプログラムで動いていますが、そのプログラムが明示的にCPUの利用権を手放さないと他のプログラムが動かないかたちでした。それでもマウス入力やネットワーク、ディスクI/Oなどはあるので、やはりカーネルモードでWindowsカーネルが強制的に動作する部分はあるものです。

完全にユーザーモードだけで動くOSだと、そのユーザーモードで動いているプログラムが暴走したときに対処できなくなるので、それを制御できるカーネルモードでのプログラムは消えることなく常に存在し、稼働し続けます。

Comments

[dodox86]

ハイパースレッディングすらない完全にシングルコアの昔のIntel CPUであれば、ある時間を切り取ってみれば必ず一つのプログラムしか動いていないでしょうから、そのCPUで動くLinuxであれば「ユーザーモードで動いているときはカーネルモードのプログラムは動いていない」と言えたかもしれません。

[Sonono]

詳しい解説ありがとうございます！！
マルチタスクに見えてもミクロで見るとシングルタスクでユーザモードとカーネルモードが高速で切り替わっているのかと思ったのですが、そうではないのですね。
まだOSの用語に詳しくなく、自分の知っている用語でdodoxさんの言っていることをとりあえず解釈してみたのですが、以下の解釈はあっていますでしょうか？（図々しくすみません。）
>プリエンティブなコンテキスト切り替えのためにはスケジューラ（カーネルモードで動作）が常に動いている必要があるはずなので、カーネルは常に動いているといえる。

[dodox86]

>プリエンティブなコンテキスト切り替えのためにはスケジューラ（カーネルモードで動作）が常に動いている必要があるはずなので、カーネルは常に動いているといえる。

言葉の使い方の問題になりますが、「必要があるはず＝そう動いていると言える」と判断するのは早計な話になってしまいます。推測と事実は違います。が、まぁ、良いのではないでしょうか。「Linux スケジューラ タイマー割込み」などとキーワード検索すれば関係が分かると思います。

前後しますが、

> マルチタスクに見えてもミクロで見るとシングルタスクでユーザモードとカーネルモードが高速で切り替わっている
> のかと思ったのですが、そうではないのですね。

これはこれで状況によっては合っている気もします。しかしながら今時のマルチコア、メニイコアなCPU環境で見ると、そのように相互排他な状況になっているとは考えづらいです。そのような実行環境ではある時間を切り取ってみてもまさに同時に複数のコアで動いていると推測しています。その辺りの最新事情も探ってみると面白いかと思います。

[Sonono]

```
「必要があるはず＝そう動いていると言える」と判断するのは早計な話になってしまいます。推測と事実は違います。
```
確かにそうですね汗
とりあえずはそう理解することにしますが、いつかちゃんと理解するようにします。

色々教えていただいてありがとうございました！今はまだよくわからない話も多いですが、勉強して理解するのが楽しみです！ありがとうございました。

Answer 2

カーネルは動いています。
その管理下でユーザーモードのプログラムが動きます
大雑把にいえば、、、

Answer 3

CPUのカーネルモードのことであれば、

・マルチコアCPUにおいては、ある瞬間において1つのコアがユーザーモードであっても、同じ瞬間に別のコアがカーネルモードということは普通のことでしょう。

・特定の1つのコアに注目した場合、ある瞬間においてユーザ－モードのプログラムが動いているのであれば、同じ瞬間にはカーネルモードのプログラムが動いていないことは明かでしょう。

という自明のことを聞いているのでは無いと思いますので、質問ポイントを整理された方が良いと思います。
あるいは、上記の前者があり得るかという意図の質問でしょうか？

Comments

[Sonono]

回答ありがとうございます。私も自分の混乱の元がよくわからなくなってしまったのでもう一度考えてみました。

>・マルチコアCPUにおいては、ある瞬間において1つのコアがユーザーモードであっても、同じ瞬間に別のコアがカーネルモードということは普通のことでしょう。

・特定の1つのコアに注目した場合、ある瞬間においてユーザ－モードのプログラムが動いているのであれば、同じ瞬間にはカーネルモードのプログラムが動いていないことは明かでしょう。

↑について、元々はそのように理解していました。ただ、「OSを構成するプログラムのうちカーネルモードで動作するプログラムの総称がカーネル」と知ってから混乱してしまいました...。

「OSがCPUを操作する」「CPUのモードにはカーネルモードとユーザモードがある」というのが元々理解していたことです。
ただこれに「OSを構成するプログラムのうちカーネルモードで動作するプログラムの総称がカーネル」という知識を追加しようとすると、「CPUではなくOSを構成するプログラムがカーネルモードなのか？」と混乱してしまいました。

「OSを構成するプログラムのうちカーネルモードで動作するプログラムの総称がカーネル」というのはどう理解すればいいのでしょうか？

[Sonono]

そもそも、OSを構成するプログラムというのが具体的にイメージできていないです...。

[Sonono]

すみません、カーネルとカーネルモードの区別がついておらず混乱していました。カーネルはOSの一部で、カーネルモードはCPUの話。「カーネルが動いている」という場合はカーネルモードではなくカーネルの話をしているということですね。

お騒がせしました。

[otn]

> すみません、カーネルとカーネルモードの区別がついておらず混乱していました。

なるほど。別の概念を混同していたのでは混乱するばかりですね。何故混同したのかを自己分析することが成長につながります。

[Sonono]

ありがとうございます！