1.虚拟化

1.1 虚拟化cpu

进程和程序

进程：跑起来的程序、加载进内存的程序、动态的概念。
程序：代码指令、放在硬盘里、静态概念。

如何制造出多个CPU的假象？

计算机cpu通过时分共享, 让一个进程只运行一个较小的时间片，然后切换到其他进程上，从而提供了多个虚拟cpu的假象。

这么做好处在：
可以多并发，可以让多个用户看起来都在==近乎同时==使用电脑，增强用户体验。即基本无延时体验。
但是，cpu共享逃不脱地让每个进程运行都慢一点。仔细想想，为什么？

要想实现进程间的切换需要一些底层机制，例如：上下文切换…

进程相关的方法

	1.创建create
	2.销毁destroy
	3.等待wait
	4.其他控制
	5.状态status

进程创建过程

1.将磁盘中的【代码】+【静态数据】load进内存中，加载到进程的地址空间中。
	注意：现代操作系统是【惰性】执行Load过程：仅在程序执行期间需要加载的代码或数据片才会加载。
2.分配栈和堆内存；
3.分配与输入输出相关的任务：进程的三个文件描述符，标准输入、输出和错误。

创建后的，进程【启动】。

进程API

fork()

功能：几乎克隆父进程
不同：返回值；父进程：返回子进程的PID；子进程：返回0
注意：子进程先运行完还是父进程先运行完，要看本身和OS的调度。

wait()

功能：阻塞当前进程

exec()

功能：让子进程执行与父进程不同的程序。
不同：他只是将父进程中的代码和静态数据覆盖为自己的，堆和栈也会重新初始化；其实是并没有创建新进程，而是直接运行当前的进程。

进程状态模型

运行running
就绪ready
阻塞blocked
初始态initial
僵尸态

只有就绪和运行能相互可达：

就绪------调度--------> 运行
就绪<----时间片到-------就绪

举个例子:
Process0 需要从磁盘读取数据或者等待网络数据包，进程就会被blocked; OS发现Procees0不使用CPU并开始Process1;当Process1运行时，I/O完成，那么请问OS要切换回process0么？这涉及到什么？

OS的进程调度算法

如何不增加OS开销而实现虚拟化CPU？如何有效运行进程同时操作系统也要自己保留对CPU的控制权力？！

答案是【受限直接执行机制】

为什么要保持操作系统控制权？不放开权限给用户们的应用程序？

因为操作系统负责资源管理，如果没有控制权，一个进程可以简单地无限制运行接管机器，或访问没有权限访问的信息。这不就乱套了。
因此确保应用程序不做任何我们不希望他做的事，同时仍高效地运行它。

拆分概念

直接执行：在cpu上直接运行程序
受限：对硬件资源的访问权限时受限的；因此诞生了两种工作模式！

用户模式：用户态受限访问硬件资源。比如，不能发出I/O请求。

内核模式：内核态可访问全部资源。

用户态不能发出I/0请求，那如果用户想读取磁盘中的内容怎么办？

【trap】陷阱指令：该指令使得可以跳入内核，并将特权级别提升到内核态。
完成后，OS调用【return-from-trap】指令，返回到发起调用的用户程序中，同时将特权级别降低，回到用户模式。

陷阱如何知道在OS内运行哪些代码？

内核在启动的时会设置【陷阱表】.

上面我们知道进程是受限执行的，上述通过系统调用从而使得控制权转交给操作系统的方式是协作方式。如果没有系统调用，没有任何非法操作，那么操作系统能夺回控制权么？

答案是【不能】
这就是协作方式的问题，这种条件下只有一种方式：
重启计算机。

上述如何破解？-时钟中断！

时钟每隔几毫秒产生中断，操作系统重新获得CPU控制权，然后调度算法决定接下来跑哪些应用进程。

调度算法考虑的指标

周转时间：T周转时间= T完成时间?T到达时间
公平 fairness
响应时间：T响应时间= T首次运行?T到达时间

调度算法

考虑【周转时间】性能指标：

先进先出（First In First Out或FIFO): 先到先得CPU，哪怕先来的时间运行时间很长，比如100秒；B,C任务运行时间尽管只需要10s，也必须等100s。
最短任务优先（Shortest Job First，SJF）：为了解决上面的问题，可以先处理最短的任务。平均周转时间会变短；
- 事实上，考虑到所有工作同时到达的假设，我们可以证明SJF确实是一个最优（optimal）调度算法。但是，实际上任务不是同时到达的…
- SJF是非抢占的
最短完成时间优先（STCF）
- 抢占式：每当新工作进入系统时，它就会确定剩余工作和新工作中，谁的剩余时间最少，然后调度该工作。

考虑【响应时间】指标：
以上的算法有个缺点，任务到来后必须要等待一段未知的运行时间。想想，你跑个程序，却要等别人跑一段时间后才轮到你，这互动性有多差。所有有以下算法，

轮转（Round-Robin，RR）调度

基本思想很简单：RR在一个时间片（time slice，有时称为调度量子，scheduling quantum）内运行一个工作，然后切换到运行队列中的下一个任务，而不是运行一个任务直到结束。它反复执行，直到所有任务完成。因此，RR有时被称为时间切片（time-slicing）。请注意，时间片长度必须是时钟中断周期的倍数。因此，如果时钟中断是每10ms中断一次，则时间片可以是10ms、20ms或10ms的任何其他倍数。

不足：轮转尽管降低了响应时间，但是直观上是推延了每个任务的结束时间，那么一般来说【周转时间】性能指标会很糟糕！

那么如何优化综合考虑【周转时间】+【响应时间】？

多级反馈队列 = 优先级 + 轮转
- MLFQ中有许多独立的队列（queue）
- 每个队列有不同的优先级（prioritylevel）
- 任何时刻，一个工作只能存在于一个队列中。
- MLFQ总是优先执行较高优先级的工作（即在较高级队列中的工作）。当然，每个队列中可能会有多个工作，因此具有同样的优先级。在这种情况下，我们就对这些工作采用轮转调度。