CPU虛擬化

什么是虛擬化？
物理概念上不存在，但邏輯概念上是存在的，
比如：賓館的房間，當你使用的時候，別人是無法使用的，在這段時間內，它是獨屬于你，同理，在其它用戶使用期間，它是獨屬于其它用戶的，換句話說，賓館在物理意義上只有一間，在每個用戶使用期間，它都是獨屬于每個用戶，就好像每個人都擁有一間房間一樣，即：邏輯上存在很多間房間
為什么需要虛擬化？
計算機的各種資源有限，但是實際情況下，用戶往往希望計算機能“同時”運行多個程式，
如何實作虛擬化？

時分復用——分時復用
為每個程式建立至少一個行程，讓所有行程進行并發執行，
即：作業系統把CPU時間劃分為多個均等的時間片，例如：每5ms一個時間片，在每個時間片內運行一個行程，當行程的時間片用完被切換后，過一段時間會重新接著運行，
空分復用
由于計算機的記憶體資源有限，作業系統會惰性執行行程，即：僅在程式執行期間需要加載的代碼或資料片段才會被加載，運行完畢后，作業系統會將該部分換出，再重新加載另外一部分，

行程

什么是行程？

行程是程式的一次執行
行程是一個程式及其資料在處理機上順序執行時所發生的活動
行程是具有獨立功能的程式在一個資料集合上運行的程序，它是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位

行程的組成

行程控制塊（Process Control Block，PCB)：存盤行程的調度資訊、控制資訊、處理機狀態等，位于作業系統內核（kernel）中，受到保護，無法查看，
程式段
相關的資料段

程式如何轉化為行程

將代碼和靜態資料加載（load）到記憶體
為程式的運行時堆疊（run-time stack）分配一些記憶體用于存放區域變數、函式引數和回傳地址
可能會為程式的堆分配一些記憶體，在C程式中，堆用于顯示請求的動態分配資料，如：通過malloc()或者realloc()請求空間，并通過free()釋放空間
執行一些其他初始化任務，特別是和輸入/輸出相關的任務

行程的狀態
運行（running）：行程獲得CPU，程式正在執行的狀態
就緒（ready）：行程已處于準備號運行的狀態，即：行程已分配到除CPU以外的所有必要資源后，只需要再獲得CPU，便可立即執行
阻塞（blocked）：正在執行的行程由于發生某事件（如I/O請求，申請緩沖器失敗等）暫時無法繼續執行的狀態，即：行程的執行收到阻塞
創建狀態：系統沒有足夠的記憶體讓記憶體裝入其中，行程的創建作業沒有完成，行程無法被調度執行
終止狀態：系統可以處于已退出但尚未清理（將PCB清0，并將PCB空間返還系統）的狀態
行程是受限直接執行的

什么是受限直接執行？

“直接執行”：只需要在CPU上運行

“受限”：行程的操作收到作業系統的限制，比如：向磁盤發出I/O請求或者獲得更多的系統資源（比如：CPU或者記憶體）
受限直接執行的原因？

“直接執行”：為了讓程式盡可能快的執行

“受限”：避免行程執行一些危險的操作
如何實作受限直接執行
- 實作“受限”
  （1）用戶模式（user mode）：用戶模式下，運行的代碼會受到限制，比如：在用戶模式下運行，行程不能發出I/O請求，
  （2）內核模式（kernel mode）：和用戶模式相對，作業系統（或內核）都是在這種模式下運行
  （3）系統呼叫：用戶希望執行某種特權操作（比如：從硬碟讀取資料），硬體為用戶程式提供了執行系統呼叫的能力，允許內核小心地向用戶程式暴露某些關鍵功能，例如：訪問檔案系統，創建和銷毀行程、和其它行程通信，以及分配更多的記憶體）
  （4）陷阱（trap）指令：要執行系統呼叫就必須執行陷阱指令，該指令在被作業系統加載到內核的同時將用戶模式提升為內核模式，完成后，作業系統會呼叫一個從陷阱回傳指令（return-from-trap），回到用戶模式
  （5）陷阱表（trap table）：計算機啟動時，作業系統就會初始化陷阱表，并且CPU會記住它的位置，當執行陷阱指令時，CPU就會根據陷阱表找到需要運行的指令，
- 實作直接執行——實作行程的切換
  （1）作業系統獲取CPU的控制權
  ? a. 協作方式（等待系統呼叫）：作業系統等待行程進行系統呼叫或者某種非法操作發生時，從而獲得CPU控制權
  ? b. 非協作方式（作業系統進行控制）：通過時鐘中斷（timer interrupt），時鐘設備可以每隔幾秒鐘產生一次中斷，產生中斷時，正在運行的程式停止，作業系統中預先配置的中斷處理程式（iterrput handler)會運行，此時作業系統會重新獲得CPU控制權
  （２）保存和恢復背景關系
  ? a. 調度程式（scheduler）：決定繼續運行當前正在運行的程式還是切換到另一個行程
  ? b. 背景關系切換：為當前正在運行的行程保存一些資訊，并為即將執行的行程恢復一些資訊（借助PCB實作）
  ? c. 進行背景關系切換時，作業系統會執行一些底層匯編代碼，來保存通用暫存器（GR）、程式計數器（PC），以及當前正在運行行程的內核堆疊指標，然后恢復暫存器、程式計數器，并切換內核堆疊，供即將運行的行程使用，

系統呼叫期間發生時鐘中斷怎么辦？
處理一個中斷時發生另外一個中斷怎么辦？
作業系統導論（2）

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