CPU虛擬化

• 什麼是虛擬化？
  物理概念上不存在，但邏輯概念上是存在的。
  比如：賓館的房間，當你使用的時候，別人是無法使用的，在這段時間內，它是獨屬於你，同理，在其它使用者使用期間，它是獨屬於其它使用者的。換句話說，賓館在物理意義上只有一間，在每個使用者使用期間，它都是獨屬於每個使用者，就好像每個人都擁有一間房間一樣，即：邏輯上存在很多間房間
• 為什麼需要虛擬化？
  計算機的各種資源有限，但是實際情況下，使用者往往希望計算機能“同時”執行多個程式。
• 如何實現虛擬化？

1. 分時多工——分時複用
   為每個程式建立至少一個程式，讓所有程式進行併發執行。
   即：作業系統把CPU時間劃分為多個均等的時間片。例如：每5ms一個時間片，在每個時間片內執行一個程式。當程式的時間片用完被切換後，過一段時間會重新接著執行。
2. 空間多工
   由於計算機的記憶體資源有限，作業系統會惰性執行程式，即：僅在程式執行期間需要載入的程式碼或資料片段才會被載入，執行完畢後，作業系統會將該部分換出，再重新載入另外一部分。

程式

• 什麼是程式？

1. 程式是程式的一次執行
2. 程式是一個程式及其資料在處理機上順序執行時所發生的活動
3. 程式是具有獨立功能的程式在一個資料集合上執行的過程，它是系統進行資源分配和排程的一個獨立單位

• 程式的組成

1. 程式控制塊（Process Control Block，PCB)：儲存程式的排程資訊、控制資訊、處理機狀態等，位於作業系統核心（kernel）中，受到保護，無法檢視。
2. 程式段
3. 相關的資料段

• 程式如何轉化為程式

1. 將程式碼和靜態資料載入（load）到記憶體
2. 為程式的執行時棧（run-time stack）分配一些記憶體用於存放區域性變數、函式引數和返回地址
3. 可能會為程式的堆分配一些記憶體。在C程式中，堆用於顯示請求的動態分配資料。如：通過malloc()或者realloc()請求空間，並通過free()釋放空間
4. 執行一些其他初始化任務，特別是和輸入/輸出相關的任務
   

• 程式的狀態
  執行（running）：程式獲得CPU，程式正在執行的狀態
  就緒（ready）：程式已處於準備號執行的狀態，即：程式已分配到除CPU以外的所有必要資源後，只需要再獲得CPU，便可立即執行
  阻塞（blocked）：正在執行的程式由於發生某事件（如I/O請求，申請緩衝器失敗等）暫時無法繼續執行的狀態，即：程式的執行收到阻塞
  建立狀態：系統沒有足夠的記憶體讓記憶體裝入其中，程式的建立工作沒有完成，程式無法被排程執行
  終止狀態：系統可以處於已退出但尚未清理（將PCB清0，並將PCB空間返還系統）的狀態
  
• 程式是受限直接執行的

1. 什麼是受限直接執行？

   “直接執行”：只需要在CPU上執行

   “受限”：程式的操作收到作業系統的限制，比如：向磁碟發出I/O請求或者獲得更多的系統資源（比如：CPU或者記憶體）

2. 受限直接執行的原因？

   “直接執行”：為了讓程式儘可能快的執行

   “受限”：避免程式執行一些危險的操作

3. 如何實現受限直接執行

   • 實現“受限”
     （1）使用者模式（user mode）：使用者模式下，執行的程式碼會受到限制。比如：在使用者模式下執行，程式不能發出I/O請求。
     （2）核心模式（kernel mode）：和使用者模式相對，作業系統（或核心）都是在這種模式下執行
     （3）系統呼叫：使用者希望執行某種特權操作（比如：從硬碟讀取資料），硬體為使用者程式提供了執行系統呼叫的能力，允許核心小心地向使用者程式暴露某些關鍵功能，例如：訪問檔案系統，建立和銷燬程式、和其它程式通訊，以及分配更多的記憶體）
     （4）陷阱（trap）指令：要執行系統呼叫就必須執行陷阱指令，該指令在被作業系統載入到核心的同時將使用者模式提升為核心模式。完成後，作業系統會呼叫一個從陷阱返回指令（return-from-trap），回到使用者模式
     （5）陷阱表（trap table）：計算機啟動時，作業系統就會初始化陷阱表，並且CPU會記住它的位置。當執行陷阱指令時，CPU就會根據陷阱表找到需要執行的指令。
     

   • 實現直接執行——實現程式的切換
     （1）作業系統獲取CPU的控制權
     ​ a. 協作方式（等待系統呼叫）：作業系統等待程式進行系統呼叫或者某種非法操作發生時，從而獲得CPU控制權
     ​ b. 非協作方式（作業系統進行控制）：通過時鐘中斷（timer interrupt），時鐘裝置可以每隔幾秒鐘產生一次中斷，產生中斷時，正在執行的程式停止，作業系統中預先配置的中斷處理程式（iterrput handler)會執行，此時作業系統會重新獲得CPU控制權
     （２）儲存和恢復上下文
     ​ a. 排程程式（scheduler）：決定繼續執行當前正在執行的程式還是切換到另一個程式
     ​ b. 上下文切換：為當前正在執行的程式儲存一些資訊，併為即將執行的程式恢復一些資訊（藉助PCB實現）
     ​ c. 進行上下文切換時，作業系統會執行一些底層彙編程式碼，來儲存通用暫存器（GR）、程式計數器（PC），以及當前正在執行程式的核心棧指標，然後恢復暫存器、程式計數器，並切換核心棧，供即將執行的程式使用。
     

• 系統呼叫期間發生時鐘中斷怎麼辦？
• 處理一箇中斷時發生另外一箇中斷怎麼辦？