操作系统导论学习笔记（三）
只有少量的物理 CPU，操作系统如何提供有几乎无限 CPU 可用的假象？
操作系统通过虚拟化(Virutalization) CPU 来提供这种假象。通过让每个程序只运行一个时间片，然后切换到其他进程，操作系统提供了存在多个虚拟 CPU 的假象。这就是时分共享(time sharing) CPU 共享技术。
潜在的开销就是性能降低，因为如果 CPU 必须共享，每个进程的运行就会变慢。
要实现 CPU 的虚拟化，操作系统需要提供底层 机制（mechanism） 和高层 策略（policy） 的支持：
- 机制是一些低级方法或协议，比如上下文切换（context switch），让操作系统可以停止运行当前程序，并在给定的 CPU 上运行另一个程序。
- 策略是操作系统作出某种决定的算法，比如调度策略（scheduling policy）决定当前 CPU 运行一组待运行程序中的哪一个。
分离机制和策略：机制为 how 提供答案，策略为 which 提供答案，将两者分开可以轻松地替换策略，而不必重新考虑机制。这是一种通用的软件设计原则：模块化。
关键问题：如何高效、可控地虚拟化 CPU
操作系统必须以高性能的方式虚拟化 CPU，同时保持对系统的控制。为此，操作系统会巧妙地利用硬件的支持。
受限的直接执行
基本技巧：受限的直接执行 LDE Limited Direct Execution
「直接执行」是指程序直接运行在 CPU 上
「受限」的体现之一，是 CPU 执行模式区分「用户模式 user mode」 和 「内核模式 kernel mode」，用户模式下，程序执行是受限制的，比如不能执行特权操作的（比如访问磁盘 I/O）。
LDE 协议的具体实现方式：
- 操作系统启动时，内核使用特权指令设置陷阱表 (trap table)，告知硬件接收到特定指令时，到哪里寻找需要执行的程序。
- 用户程序运行在用户模式下，发出系统调用后，硬件检测到变化，保存当前程序的状态（比如寄存器入栈），转为内核模式，查询陷阱表，然后跳转到对应的内核程序处执行。内核执行完程序后，调用返回用户模式指令，硬件恢复寄存器，转为用户模式，回到应用程序中继续执行。
系统调用类似过程调用，但隐藏在系统接口里的实现，是著名的陷阱指令。为了仔细遵循与内核一致的调用约定（例如将参数放在知名位置），库函数的系统调用部分是用汇编语言手动实现的。
LDE 协议的两阶段实现时间线
「受限」的体现之二，在于用户程序必须以某种方式，主动或被动地让出 CPU 的控制权，好让操作系统可以执行程序切换，或处理其他事情。
- 合作式 (cooperative) ：等待系统调用
操作系统会假设用户程序会合理的使用资源，并在结束执行后通过系统调用（比如 exit() ）将 CPU 控制权交还给操作系统，以便其他程序也可以执行。
当程序运行出错时，比如除 0 或访问非法内存，程序执行也会陷入操作系统中。
- 非合作式：操作系统进行控制
如果没有硬件帮助，在合作式的风格中，如果用户程序不做退出的系统调用，那么操作系统没有办法中止这个程序，无法执行其他程序。
对于程序不肯让出 CPU 控制权的问题，解决答案很简单：时钟中断 (timer interrupt)，时钟设备编程为每隔一段时间发生一次中断，中断发生后，当前进程停止运行，转而执行操作系统中预制的中断处理程序 (interrupt handler)，于是，操作系统重新获得 CPU 的控制权，于是可以做它想做的事情：比如停止不肯退出的程序。
时钟中断是操作系统获得 CPU 控制权的重要机制，因此操作系统启动时，要启动时钟设备，告知硬件时钟中断发生时处理程序所在位置。但是时钟设备也是可以关闭的，详见并行部分内容。
上下文切换
切换应用程序时，为了保证程序的正常执行，需要保存和恢复上下文，即 上下文切换 context switch
为了保存当前正在运行的进程的上下文，操作系统会执行一些底层汇编代码，来保存通用寄存器、程序计数器，以及当前正在运行的进程的内核栈指针，然后恢复通用寄存器、程序计数器，并切换内核栈，供即将运行的进程使用。
时钟中断切换进程时序图，在过程中出现了两种类型的寄存器保存/恢复：
- 第一种发生在时钟中断的时候。在这种情况下，由硬件隐式地操作，将寄存器内容保存在内核栈中
- 第二种发生在进程上下文切换的时候。在这种情况下，由软件（即操作系统）显式调用，将寄存器内容保存在进程结构的内存中
小结
受限直接执行 LDE 协议是实现 CPU 虚拟化的关键底层机制。基本思路很简单：允许你想运行的程序在 CPU 上直接运行，但首先确保设置好硬件，以便在操作系统无法运行的情况下限制进程可以执行的操作。
重启是优雅而有用的，因为
- 将软件重置到经过很多测试的、最为预期的状态
- 可以回收旧的或泄漏的资源（如内存）
- 重启容易自动化