操作系统概念 进程调度

1. 并发进程的切换

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2. 中断技术

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图解：

1） 中断主要分为两种类型：来自 CPU 外部的 Interrupt ，称为中断；来自 CPU 内部的 Exception，称为异常；

2）当 发生中断 的时候，会 中止 CPU 上正在运行的程序，之后进入 kernel 模式；

3）随后在 kernel 模式下，执行该事件的处理程序；

4）执行完中断处理程序，重新回到 user 模式，重新执行用户程序。

注意：中断的执行依靠的是：陷阱机制。

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3. 中断源

图解：

1）外中断（Interrupt），是 来自处理器之外的硬件中断信号。由于是来自处理器外部的中断，所以 外部中断是不可预知的，属于随机中断，又称为异步中断。外中断的类型有：

• 时钟中断
• 键盘中断
• 外围设备中断

2）内中断（异常Exception），来自处理器内部的中断，是指令执行过程中发生的中断，属于同步中断。内中断的类型有：

• 硬件异常：掉电、奇偶校验错误等
• 程序异常；非法操作、地址越界、断点、除数为0
• 系统调用

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4. 系统调用是一种内部中断，所以系统调用也是采用陷阱机制

我们在前面可以看到，中断的实现，依靠的就是陷阱机制，从 user 模式进入 kernel 模式执行中断处理程序；之后再从 kernel 模式进入到 user 模式，继续应用程序的执行。

而系统调用是属于内部异常，是指令执行过程中发生的中断，所以系统调用的实现，依靠的也是陷阱机制。

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5. 中断处理过程

图解：

当从 kernel 模式进入到 user 模式，会做 3 个事情：

1）选择一个进程 恢复进程上下文和唤醒；

2）恢复选中的进程的上下文信息；

3）恢复该进程的运行状态；

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6. 特权指令和非特权指令

图解：

1）操作系统一般支持双模式（dual mode），即用一个硬件 bit 来表示：该 bit 为 0 ，表示 kernel mode，该 bti 为 1，表示当前是 user mode。

2） 特权指令：仅在 kernel mode 运行的指令，称为特权指令。其中 process Switching（进程切换）属于特权指令，因此需要从 user mode 切换到 kernel mode。

3）非特权指令：仅在 user mode 运行的指令，称为非特权指令。

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7. 模式切换

陷阱机制中，处理器从 user mode 切换到 kernel mode，也能从 kernel mode 切换到 user mode，这个过程称为模式切换。

注意：中断是用户态向内核态转换的唯一途径。

OS提供Load PSW指令装载用户进程返回到用户状态。

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8. 进程切换

图解：

1）进程切换的时间有两点：

主动切换：进程需要等待获得某些资源，还没获取到资源之前，进程将主动切换出来，让出 CPU，进入等待状态；

被迫切换：由于时间片到达，或者被高优先级的进程抢占，当前进程将被迫让出 CPU，进入就绪状态；

2）切换过程：

进程切换属于特权指令，所以进程切换的第一步，就是从 user mode 切换到 kernel mode.

接下来所有的步骤，保存上下文，修改被中断进程的控制信息等，都是在 kernel mode 下进行。

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9. 进程控制块（PCB）

图解：

1）进程控制块（PCB）包含了该进程本身相关的许多控制信息：

• process state：进程状态，运行态/就绪态/等待态…；
• process number ：进程ID，即 pid 号；
• program counter：程序计数器，该值指示当前进程下一条需要运行的指令的地址。在该进程获得 CPU 开始运行的时候，CPU 会把 PCB program counter 拷贝到 CPU 中的 PC 寄存器，这样 CPU 就可以执行该进程下一条应该执行的指令；
• registers：寄存器值，该进程被切换的时候，需要记录此刻记录在 CPU 寄存器中的值，这些 CPU 内部寄存器记录了当前进程运行过程中的状态和许多中间结果值；当下次该进程恢复运行时，就把 registers 中的值恢复到 CPU 的内部寄存器，确保该进程能继续正常执行；
• memory limits：内存限制，即该进程在内存中的布局：起始地址，地址长度等；
• list of open files：该进程所打开的所有文件描述符（即打开的文件）；

2） PCB，进程控制块，只包含进程的控制信息；PCB 不会包含任何可执行的指令和代码；

3）text 段，data 段，heap 段，stack 段等，这些被称为“进程实体”；

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10. 进程上下文

注意：进程上下文，指的是两部分，分别是 进程控制块（PCB）和 进程实体。

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11. 进程在物理内存

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12. 进程队列（PROCESS QUEUES）

图解：

1） 就绪状态的进程，都放在就绪队列中；等待状态的进程，根据等待不同的 I/O 设备，可能会被分派在不同类型的等待队列中；在单处理器的系统中，由于一个时刻只能有 1 个进程在运行，所以不需要有运行队列存在运行态的进程；

2）进程队列保存的是进程控制块 PCB，一方面是减小了内存空间的使用，另外通过 PCB 的 memory limits 等信息，就能根据 PCB 找到对应的进程实体和进程上下文；

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13 . 进程调度（PROCESS SCHEDULING）

图解：

1）新创建的进程，已经具备了运行条件，就会从 new 状态进入 ready 就绪队列；

2）ready 就绪队列的进程可以占用 CPU ，进入运行态；

3）运行态的进程运行结束，就会终止（Terminated）；

4）运行态中的进程，可以主动或者被动的让出 CPU ，之后进入 ready 就绪队列或者 等待队列。

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