操作系统之进程管理(1):从CPU如何执行进程说起

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CPU妈妈:

    大家好,我叫CPU,我就是计算机的大脑,我能够发出各种命令,控制整个计算机。

内存儿子:

    大家好,我叫内存,存放着一条条的指令和数据。

CPU妈妈:

    我现在命令你把存储在你那里地址为66的指令发给我看看。

内存儿子:

    好的,我现在马上发给你。

CPU妈妈:

    我收到了你发给我的指令了。嗯,我看了看,这是一条 “计算1+1的结果,然后把结果发给你地址为6666的地方” 的指令,我算了算,结果是2,我现在命令你:你把收到的2存到地址为67地方。


CPU妈妈:

    继续,刚才我拿了你那里地址为66的指令,现在我命令你把存储在你那里地址为67的指令发给我看看。

内存儿子:

    好的,我现在马上发给你。

CPU妈妈:

    我收到了你发给我的指令。嗯,我看了看,这是一条 “xxxxxxx”的指令,我现在执行它.....


可以知道,CPU不断地自动取指令翻译指令,然后执行指令,这个过程不断反复进行,指令就这样一条条被执行下去。

所以,管理CPU最直观的方法就是:设好第一条要指令的位置就完事了,然后一条条往下执行!

设好第一条要执行的指令位置为50,然后就完事了。。。接下来CPU会不断往下取指,取51位置的指令,取52位置的指令.........一直取下去就完事了

操作系统之进程管理(1):从CPU如何执行进程说起


但是,我们看一下这么做有没有问题?

我们做了以下的实验,在windows下运行以下编写好的C程序执行循环,程序一循环内有IO操作(写磁盘),程序二循环内没有IO操作,只有计算赋值指令。

程序一:

操作系统之进程管理(1):从CPU如何执行进程说起

程序二:

操作系统之进程管理(1):从CPU如何执行进程说起

程序一循环中有IO操作,1000次循环要0.859000秒,程序二循环中没有IO操作,10000000次循环只需0.015000秒。

可见, IO操作是非常耗时的,而且在进行IO操作时候,我们的CPU是不参与工作的,因为CPU只负责取指令和计算指令的结果。

如果我们的CPU是按上述所讲那样,一条条往下取指令然后执行指令的话,那么在进行IO操作的时候,CPU必须等待IO操作结束后再继续取下一条指令并且执行。

操作系统之进程管理(1):从CPU如何执行进程说起


那我们该怎么解决这个问题呢?

操作系统之进程管理(1):从CPU如何执行进程说起

我们需要做到这样,让CPU充分利用起来,提高CPU的利用率,这样我们整个系统才能更快地运行。此时,需要操作系统来进行运转了......

因此,如上图,我们在执行程序1的时候,遇到了IO操作,此时CPU不必一直傻傻地等待IO操作执行完然后再往下执行,操作系统可以先记录下当前程序1的运行状态,然后让CPU跳转到另外一个程序2去执行程序2的计算指令,当执行到程序2的某个时候,此时操作系统收到通知程序1的IO操作完成了,那么程序1又有机会得到CPU资源(只是有机会,不是马上,这得看操作系统得调度策略,让它什么时候再得到CPU资源,后续会讲),恢复记录的状态,然后继续往下执行.....

因此,这就是多道程序、交替执行,不会让CPU傻傻地的等待,充分利用资源,不停地计算、不停地干活。

所以,一个CPU上交替执行多个程序就叫做并发

大体上看,它是多个程序一起往前走。

但微观上看,它是多个程序相互交替地往前走。

那么,要做到CPU切来切去,必须要有东西记录进程的运行状态,那么这个东西是什么呢?

操作系统为每个程序提供了一个叫做PCB的数据结构(后面会详细讲)。它记录了该程序执行到什么位置执行过的值的状态相关寄存器的状态等信息,供CPU再次返回时恢复现场使用。因为该程序已经运行了一半,然后此时CPU跳出去了,那下次CPU又回到该程序时你得知道知道从什么地方继续执行,跳出去之前得到的值等信息,这样这个程序才能好好地继续执行下去....

所以,引入PCB后,运行的程序和静态的程序不一样了。

运行的程序:在内存中运行的程序,它需要有PCB记录程序运行时候的样子。

静态的程序:还没调到内存中运行的,躺在磁盘上的死一样的程序。

因此,进一步,我们就引入了“进程”的概念,他就是上述所讲的运行的程序,我们所说的程序就是静态的程序,它们所有的区别都表现在PCB上。

1)进程有开始,有结束,程序就是死一样的程序,没有这些,躺在磁盘上。

2)进程会走走停停,程序没有走走停停的概念。

3)进程需要PCB记录进程状态,而程序不用。

下一节,我们重点展开来讲进程。欢迎持续关注。

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