Operating Systems

虚拟化

进程

操作系统通过虚拟化（virtualizing）CPU 来提供这种假象。通过让一个进程只运行一个时间片，然后切换到其他进程，操作系统提供了存在多个虚拟 CPU 的假象。这就是时分共享（time sharing）CPU 技术，允许用户如愿运行多个并发进程。潜在的开销就是性能损失， 因为如果 CPU 必须共享，每个进程的运行会慢一点 。

操作系统为正在运行的程序提供的抽象，就是所谓的进程（process）。

创建

操作系统必须包含一些创建新进程的方法。

第一件事是将代码和所有静态数据（例如初始化变量）加 载（load）到内存中，加载到进程的地址空间中。

必须为程序的运行时栈（run-time stack 或 stack）分配一些内存。

API：fork() 返回0为子进程，否则为父进程。

exec() 运行不同的程序。

销毁

由于存在创建进程的接口，因此系统还提供了一个强制销毁进程的接口。

等待

有时等待进程停止运行是有用的，因此经常提供某种等待接口。

API：wait() waitpid()

其他控制

大多数操作系统提供某种方法来暂停进程（停止运行一段时间），然后恢复（继续运行）。

状态

例如运行了多 长时间，或者处于什么状态。

受限直接执行

操作系统需要以某种方式让许多任务共享物理 CPU，让它们看起来像是同时运行。

存在一些挑战：

• 第一个是性能：如何在不增加系统 开销的情况下实现虚拟化？
• 第二个是控制权：如何有效地运行进程，同时保留对 CPU 的控制？

为了使程序尽可能快地运行，操作系统开发人员想出了一种技术——称之为受限的直接执行（limited direct execution）。这个概念的“直接执行”部分很简单：只需直接在 CPU 上运行程序即可。

问题

为了良好的执行性能需要直接执行，为了防止恶意或有缺陷的程序影响到其他程序的执行需要加以限制。

受到限制的程序如何执行受限的操作

硬件通过提供不同的执行模式来协助操作系统。在用户模式（user mode）下，应用程序不能完全访问硬件资源。在内核模式（kernel mode）下，操作系统可以访问机器的全部资源。还提供了陷入（trap） 内核和从陷阱返回（return-from-trap）到用户模式程序的特别说明，以及一些指令，让操作系统告诉硬件陷阱表（trap table）在内存中的位置。

内核小心地向用户程序暴露某些关键功能，例如访问文件系统、创建和销毁进程、与其他进程通信，以及分配更多的内存。

要执行系统调用，程序必须执行特殊的陷阱（trap）指令。该指令同时跳入内核并将特权级别提升到内核模式。一旦进入内核，系统就可以执行任何需要的特权操作（如果允许），从而为调用进程执行所需的工作。完成后，操作系统调用一个特殊的从陷阱返回 （return-from-trap）指令，回到用户态。

陷阱如何知道在 OS 内运行哪些代码？内核通过在启动时设置陷阱表（trap table）来实现，告诉硬件在发生某些异常事件时要运行哪些代码。

在进程之间切换

如果操作系统没有在 CPU 上运行，那么操作系统显然没有办法采取行动。

如何重获 CPU 的控制权？

• 协作方式：等待系统调用，等待程序主动放弃，但是存在风险（恶意程序、无限循环）。
• 非协作方式：操作系统进行控制，利用时钟中断重新获得控制权。
• 保存和恢复上下文：如果决定进行切换，OS 就会执行一些底层代码，即所谓的上下文切换（context switch）。操作系统要做的就是为当前正在执行的进程保存一些寄存器的值（例如，到它的内核栈），并为即将执行的进程恢复一些寄存器的值（从它的内核栈）。

进程调度

调度指标

T 周转时间= T 完成时间 − T 到达时间

T 响应时间= T 首次运行−T 到达时间

先进先出（FIFO）

先进先出（First In First Out 或 FIFO）调度，有时候也称为先到先服务（First Come First Served 或 FCFS）。它很简单，而且易于实现。

一些耗时较少的潜在资源消费者被排在重量级的资源消费者之后，就会导致平均调度时间太长。

最短任务优先（SJF）

最短任务优先（Shortest Job First，SJF），先运行最短的任务，然后是次短的任务，如此下去。

但是我们无法对任务进行预知，并且对执行时间长的任务不公平。

最短完成时间优先（STCF）

向 SJF 添加抢占，称为最短完成时间优先（Shortest Time-to-Completion First，STCF）或抢占式最短作业优先（Preemptive Shortest Job First ，PSJF）调度程序。

轮转（RR）

RR 在一个时间片（time slice，有时称为调度量子，scheduling quantum）内运行一个工作，然后切换到运行队列中的下一个任务，而不是运行一个任务直到结束。它反复执行，直到所有任务完成。因此，RR 有时被称为时间切片（time-slicing）。注意，时间片长度必须是时钟中断周期的倍数。

越短，RR 在响应时间上表现越好。但是时间片太短是有问题的：突然上下文切换的成本将影响整体性能。

结合 I/O

当前正在运行的作业在 I/O 期间 不会使用 CPU，它被阻塞等待 I/O 完成。如果将 I/O 发送到硬盘驱动器，则进程可能会被阻塞几毫秒或更长时间，具体取决于驱动器当前的 I/O 负载。因此，这时调度程序应该在 CPU 上安排另一项工作。

多级反馈队列（MLFQ）

没有工作长度的先验（priori）知识，如何设计一个能同时减少响应时间和周转时间的调度程序？

多级反馈队列是用历史经验预测未来，不需要先验知识。

MLFQ 中有许多独立的队列（queue），每个队列有不同的优先级（priority level）。任何时刻，一个工作只能存在于一个队列中。MLFQ 总是优先执行较高优先级的工作（即在较 高级队列中的工作）。

1. 如果 A 的优先级 > B 的优先级，运行 A（不运行 B）。
2. 如果 A 的优先级 = B 的优先级，轮转运行 A 和 B。
3. 工作进入系统时，放在最高优先级（最上层队列）。
4. 一旦工作用完了其在某一层中的时间配额（无论中间主动放弃了多少次 CPU），就降低其优先级（移入低一级队列）。
5. 经过一段时间 S，就将系统中所有工作重新加入最高优先级队列。避免饥饿问题。如果系统有“太多”交互型工作，就会不断占用 CPU，导致长工作永远无法得到 CPU（它们饿死了）。

比例配额调度

调度程序的最终目标，是确保每个工作获得一定比例的 CPU 时间，而不是优化周转时间和响应时间。

有以下优势：

• 随机方法常常可以避免奇怪的边角情况。
• 随机方法很轻量，几乎不需要记录任何状态。
• 随机方法很快。

彩票调度

彩票调度最精彩的地方在于利用了随机性（randomness）。

彩票调度利用彩票货币（ticket currency）的概念。这种方式允许拥有一组彩票的用户以他们喜欢的某种货币，将彩票分给自己的不同工作。之后操作系统再自动将这种货币兑换为正确的全局彩票。操作系统利用随机数抽奖决定运行哪一个程序。

一个有用的机制是彩票转让（ticket transfer）。

彩票通胀（ticket inflation）有时也很有用。利用通胀，一个进程可以临时提升或降低自己拥有的彩票数量。

分配彩票是一个具体要考虑的问题，没有固定的答案。

步长调度

系统中的每个工作都有自己的步长，这个值与票数值成反比。每次进程运行后，让它的计数器 [称为行程（pass）值] 增加它的步长，记录它的总体进展。之后，调度程序使用进程的步长及行程值来确定调度哪个进程。基本思路很简单：当需要进行调度时，选择目前拥有最小行程值的进程，并且在运行之后将该进程的行程值增加一个步长。

进程抽象成了一个进度条，按照票数增加进度条供操作系统选择。

多处理器调度

缓存亲和度

一个进程在某个 CPU 上运行时，会在该 CPU 的缓存中维护许多状态。下次该进程在相同 CPU 上运行时，由于缓存中的数据而执行得更快。相反，在不同的 CPU 上执行，会由于需要重新加载数据而很慢（好在硬件保证的缓存一致性可以保证正确执行）。

单队列调度（SQMS）

简单地复用单处理器调度的基本架构，将所有需要调度的工作放入一个单独的队列，称之为单队列多处理器调度（Single Queue Multiprocessor Scheduling，SQMS）。

最大的优点是简单。

缺点：

• 缺乏可扩展性（scalability）。队列需要加锁面对多个 CPU 的竞争，造成性能损失（CPU 越多，性能损失越大）。<