进程调度的基本过程

文章目录

CPU执行指令过程
进程
- PCB
- “分时复用”
☁️结语

CPU执行指令过程

一个CPU能执行那些指令，可以认为是cpu最初设计的时候就已经写死了。有一个“表格”描述了都有哪些指令。
在这里插入图片描述

以上的表格只是一个简化版本，真实的cpu指令表要复杂很多。此处假设每个指令只有8bit（实际上更长）。
RAM即内存，它的全称叫做随机访问存储器。

8 bit的指令可以分成两个部分，前4个bit 是操作码，表示指令是干啥的，后4bit 是操作数。
在这里插入图片描述
CPU中存在了一个特殊的寄存器，“程序计数器”，它保存了接下来要从哪个内存位置来执行指令。随着指令的执行，这里的值也会随着更新，默认情况下就是+1自增过程（顺序执行），如果遇到“跳转类语句”（if、while、for、函数调用…）那么它就会设为其他的值。

执行指令的三个阶段:

取指令，cup从内存中读取到指令内容到cpu内部
解析指令，识别出这个指令是干啥的，以及对应的功能和操作数
执行指令

初始情况下，程序计数器的值是0
1. 读取指令
2. 解析指令
  把读到的指令一分为二
  左边这里就是操作码
  
  右边这里就是操作数
操作码表示它是干啥的指令；操作数表示这个指令是对谁操作的。
我们可以去指令表中看这个操作码是啥意思。这个指令是LOAD A指令，并且后面的 1110 表示了一个内存地址。这个指令的工作就是把 1110 这个地址的数据，读取到寄存器 A 中。
3. 执行指令
把1110 (十进制的14) 地址的内存数据读取出来，放到寄存器A中。第一条指令执行完毕，系统会自动把程序计数器中的值++
执行为1的指令
1. 读取指令
  
  2. 解析指令
  把指令拆成 0001（操作码）和 1111（操作数）。
  这个指令是LOAD B，就要把1111（十进制的15）地址上的数据读到寄存器B中。
  3. 执行指令
  找到15这个地址上的数据，读到B寄存器中。之后程序计数器++(1 -> 2)。
…

进程

进程就是正在执行的应用程序。
谈的一个应用程序，有两种状态

没有运行的时候，是一个 exe 文件，躺在硬盘上。
运行的时候，exe 就会被加载到内存中，并且cup执行里面的指令了

执行进程里的指令，需要硬件资源。
在这里插入图片描述
进程是操作系统进行资源分配的基本单位。

由于一个系统上进程比较多，所以需要管理

描述：通过结构体/类，把进程中的各种属性表示出来
组织：通过数据结构，把多个上面的结构体串起来，并进一步的进行各种增删查改。

对于Linux操作系统来说，它使用“PCB(进程控制块)”这样的结构体来描述进程信息的。
我们可以简单认为，通过链表的方式，把上述多个PCB串到一起。
创建新的进程，就相当于创建了一个PCB结构体，并且插入到链表中；销毁进程，就是把PCB从链表上删除掉，并且释放这个PCB结构体；查看进程列表，就是中遍历这个链表，依次显示出对应的信息。

注意：以上只是简化版本，方便理解，实践的情况要更复杂，不只是一个链表...

PCB

PCB有啥信息？
PCB是一个非常复杂的结构体，里面包含了非常多的属性。我们在这里只讨论一些关键的信息~

PID 进程的标识符
同一时刻，一个机器上的多个进程之间PID是唯一的，不会重复，系统内部的很多操作，都是通过PID找到对应的进程的。

2. 内存指针（一组）
它描述进程依赖的指令和数据都在内存的哪个区域
操作系统运行exe就会读取exe中的指令和数据，并把它们加载到内存中（内存地址）。
(侧面表示出，进程的执行需要一定的内存资源)
3. 文件描述符表（顺序表/数组）
它描述了进程打开了那些文件（对于到硬盘上的数据），进程中打开了某个文件，就会在顺序表中添加一项。
（侧面表示出，进程的执行需要一定的硬盘资源）
4. 进程状态
5. 进程的优先级
6. 进程的上下文
7. 进程的记账信息

4、5、6、7这几个属性共同决定了进程调度。我们把他们放在一块分析。

计算机上同时存在百八十个进程，这么多进程都是要执行的。
CPU负责执行，CPU每个核心可以执行一个进程。我这台电脑CPU是6核12线程（6个物理核心，12个逻辑核心），只能同时执行12个进程呀~其他进程咋办呢？

这就不得不提到操作系统进程调度的关键——“分时复用”了

“分时复用”

这个时刻CPU运行进程1，运行一会，CPU运行进程2，过一会运行进程3…
由于CPU运算速度非常快，使上述的切换速度也非常快，肉眼察觉不到，站在宏观角度（人），就好像是同时执行了，这叫做“并发执行”。

现在有有了多核心CPU，每个核心和核心之间，微观上也能同时执行不同的进程，这叫做“并行执行”。

并发/并行，都是操作系统内核统一调度的，程序员/普通用户感知不到~
因此，平时也把并行和并发统称为“并发”，对于的编程的手法也就称为“并发执行”。

进程状态
可以随时被调度到CPU上执行指令的，称为“就绪状态”。
因为要做一些其他的工作，比如进行IO操作（读写硬盘/读写网卡…），无法调度到CPU上执行，这称为“阻塞状态”。
其实进程还有其他的状态，此处就不展开了~
进程优先级
进程优先级就是来解决谁先来，谁后来，谁多执行，谁少执行的问题的。
进程的上下文
分时复用，一个进程执行一会之后，就要从CPU上调度走，过一段时间，还会调度回CPU，此时就要沿着上次执行的结果，继续往后执行~
进程的上下文对于进程来说就是寄存器中的值，CPU有很多寄存器，这些寄存器共同描述了上下文。
PCB是内存的数据，把寄存器中的值都保存到PCB特定属性中，下次调度PCB就可以从这里的属性中把数据恢复到对应的寄存器中了。
进程的记账信息
在优先级的加持之下，就会使不同的进程吃到的资源差异越来越大。
操作系统会去统计每一个进程在CPU上执行的时间，系统就会根据这个来进一步的调整调度的策略。