天天3分鐘操做系統修煉祕籍（2）：並行的假象和分時系統

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假象：「並行」運行多個進程

現代操做系統都支持多任務同時執行。在這裏，操做系統對咱們用戶「營造了一種假象」，讓CPU看上去是用不完的，可以不斷地添加新的程序使它們同時運行。

但每核CPU在某一時刻都只能執行一個進程。使用操做系統的人是不會去關注CPU是單核仍是多核的，每一個人都但願操做系統能同時運行多個程序，好比能夠同時看網頁、發郵件、聊QQ、聽音樂等。

因此操做系統提供的多程序同時運行是「僞並行」。要想實現真正的並行運行多個進程，只能使用多核CPU來實現。

OS營造這種假象的技術是「CPU時間共享（time sharing）」，也稱爲「分時系統」，即CPU執行一會進程A，而後停下來去執行一會進程B，再停下來執行一會進程A。即，每一個進程都只執行一會，而後CPU切換去執行其它進程，每一段執行和切換的時間很短（每秒能執行不少個進程），使得用戶覺得進程根本未停過，從而造成了假象。

例如，下圖描述了分時系統的進程切換方式。進程A執行一會後切換到進程B，B執行一會後又切換到C，C執行一會後又切換到B，再切換回C、A、C、D。

這種不斷切換進程的機制，其關鍵技術是CPU從一個進程切換到另外一個進程，這是經過「上下文切換（context switch）」實現的。上下文切換能夠直接理解爲進程的切換，之因此使用「上下文」這個術語，是由於CPU要從進程A切換到進程B時，必然要保存進程A的執行環境，好比進入切換時進程A執行到了哪一個地方，以便下次切換回進程A的時候可以從這裏恢復繼續執行，此外，既然要切換到進程B，必然還要恢復以前已保存好的進程B的執行環境，才能知道從哪裏開始繼續執行進程B。而在計算機世界中，「環境」和「上下文」一般是能夠互換的概念，因此CPU的上下文切換正是兩個先後進程執行環境的切換。

CPU時間共享的好處是提高了交互性，由於每一個進程均可以儘快地執行起來，都可以更快地被響應，使得每一個進程都像是被公平對待，這是很是感人的。可是時間共享卻帶來了另一個問題，站在進程的角度上看，每一個進程從啓動開始到執行完成，中間須要花費更長時間，並且不少時間處於等待狀態。

再考慮另一個問題，既然要不斷的切換進程，操做系統如何選擇下一個要執行的進程？例以下圖中，當進程D開始進程切換時，下一個要執行的是哪一個進程呢？

選擇下一個要執行的進程，是經過操做系統的進程調度程序（也稱爲調度器或調度類）來決定的，調度器根據一些調度算法策略決定哪一個進程將幸運地被選中（即，被調度到）做爲下一個要執行的進程。

而進程調度算法策略的兩個關鍵性指標正是響應時間和週轉時間。響應時間體現的是交互性和公平性，響應時間越短，表示交互時能更快獲得響應，好比當敲下鍵盤時，用戶確定不但願還要等一段時間才顯示字符。週轉時間體現的是什麼時候完成任務的問題，週轉時間越短，表示從啓動開始到執行結束所花的時間更短，也就是更快完成任務。

另外，雖然在分時系統下，經過爲每一個進程分配固定的時間片能保證每一個進程都有機會執行，但總會有一些進程是比較重要的，它們的優先級比較高，它們能夠從當前正在執行的進程處搶佔CPU，這稱爲「搶佔式多任務處理」。固然，這裏的搶佔並非真的無條件搶到CPU，CPU給誰是由操做系統的調度策略決定的，「搶佔」只是代表某進程比較重要，應當優待，好比讓該進程儘快執行或讓它多執行一會。

進程調度是很是重要的概念，在後面還會專門花費一些篇幅介紹進程的調度。