cpu如何运行进程

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cpu如何运行进程

 

     cpu主要是由运算器、寄存器、控制器和译码器组成，当我们运行一段代码的时候，代码被加载进寄存器中，（单cpu单核的情况）当有另一个进程需要运行的时候，第一个进程就会被存入pcb的栈中，等到一定的时间在重新加载到寄存器中运行。

      一般情况下，cpu处理数据能力有1Ghz=1ns，多进程的时候cpu采取分时复用的方式进行，每个进程10ms或者其他时间的进行交换，由于运行速度很快所以用户感觉不到在交换，觉得是在同时运行。

      进程有四种状态，运行态，就绪态，睡眠态，停止态。其中的状态转变如图所示。

 

 

进程的加载过程

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假如有一个可执行程序，它有自己的大小。将可执行程序加载到内存空间有各种方法，以下是我们便于理解的一种方法。

如上图，如果想再加载一个程序进去，理论上空间够用，但实际上放不进去，因此这种管理方案浪费的内存较大，会产生外部碎片。

因此我们可以使用页表来对内存进行管理，下图是使用页表的方法。

页表：操作系统会为每一个进程维护一个页表，页表主要记录其加载时每个块对应的页号。
分页的特点：不要求所有的块连续，可以避免外部碎片，但是会产生内部碎片。

由上图，分页将物理内存上的空间划分为很小的区块，这个区块成为页。内存上的程序使用完后释放，再循环使用，可以提高空间使用率。

假如上图的内存有20个区块，可执行程序有5个区块，则内存可以加载20/5=4个程序，此时内存就已经使用完了。当内存空间不够用的时候，就使用虚拟内存。

虚拟内存：
概念：虚拟内存是在磁盘空间开辟空间作为内存的一个补充。
进程可以一部分驻留在内存上，而其他部分存储在虚拟内存上。

虚拟内存的优点：
1、操作系统同时执行的进程数量会大幅提升。
2、操作系统可以执行比内存空间大的多的进程。

接下来详细描述一下进程的加载过程：

当一个程序加载到内存时，刚开始只加载0号块，剩下的块暂时不会访问到，不用加载到内存，放在虚拟内存上就可以。因此上图内存可以同时加载20块，即20个程序。假如系统有3G的内存，第一个进程只占4k，其他剩余的3G-4k的内存可以加载其他程序。
但是当去内存访问0号块完毕时，如果要访问1号块，但此时1号块不在内存上而在虚拟内存上，此时就会发生页中断（页错误）。此时CPU无法执行，中断处理程序会扫描虚拟内存，然后找到1号块所在的虚拟内存的空间，将其加载到内存，CPU再次扫描，程序正常执行。

使用虚拟内存这种管理方式的缺点是浪费时间，中断处理程序执行时，CPU需要等待，会浪费时间。

接下来讲一个名词，叫做系统抖动
系统抖动概念：在请求分页存储管理中，从内存刚刚换出某一页面后，根据请求又马上换入该页，这种反复换入换出的现象，叫系统抖动，或系统颠簸。

系统抖动是因为页错误太多，频繁出现页中断，浪费CPU大部分时间。

为了降低系统抖动，降低页错误次数，就要使用页面置换算法（FIFO），原则是先进先出，但这种算法只是在按顺序访问地址空间时是理想的。因此我们可以使用另一种算法，即最近最久未使用算法（LRU），它是置换最近过去一段时间最久未使用的页面。

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