进程与线程：01 CPU管理的直观想法

多进程图像与操作系统核心

好从今天开始，我们就要开始学习操作系统，最核心的图像是多进程图像。前面我们讲过，多进程图像对操作系统来说非常重要，它是操作系统的核心图像。明白了它以后，对于理解操作系统的一大部分内容乃至编写操作系统都大有益处。

操作系统的核心功能是管理计算机硬件，而CPU是计算机中最核心的硬件，所以操作系统首先要管理CPU 。正是在管理CPU的过程中，引出了多进程图像。

管理CPU：从使用到问题提出

• 使用：要管理CPU，需先学会使用CPU 。就像管理屋子要让屋子被使用一样，使用CPU就是让它高效地工作。而要使用CPU，得先明白其工作原理。

  • 工作原理：根据冯诺伊曼体系，将程序存放到内存里，设置PC（程序计数器）地址，如PC = 50 。CPU会根据这个地址从内存中取指令，例如取出 mov ax, [100] 这条指令，然后将内存地址为100处的内容取出来赋给ax寄存器，ax的值就变为0 。CPU自动进行取指 - 执行的操作，不断重复这个过程，每次取指后PC自动累加，从而依次执行后续指令。

  • 直观方法：管理CPU最直观的方法就是设好PC初值，将PC的初值设置为一段程序的开始地址，CPU就会自动取指执行，开始工作。

• 问题提出：然而，这种方法存在问题。通过一个程序实验发现，I/O指令（如fprintf ）和计算指令执行时间差异巨大，I/O指令执行非常慢。当程序中存在I/O指令时，CPU在执行到I/O指令时，由于后续指令可能依赖I/O结果，CPU只能等待，导致CPU利用率低。例如一个程序前面有大量计算指令（如十的六次方条），仅有一条I/O指令，按照直观方法执行，CPU会在遇到I/O指令时等待，工作时间和等待时间几乎相等，利用率只有50% ，在实际情况中CPU利用率可能更低。

解决思路：多道程序交替执行

为解决CPU利用率低的问题，人们借鉴生活中等待事件时同时做其他事的思路，提出多道程序交替执行的方法。当一个程序执行到无法继续（如遇到I/O操作）时，CPU切换到另一个程序执行，多个程序在内存中交替执行，这样CPU就能充分忙碌起来，提高利用率。

• 对比示例：通过单道程序和多道程序执行的示例对比，单道程序中程序A执行完后程序B才能执行，CPU利用率为50% ；而多道程序交替执行时，CPU和设备可以并行工作，任务执行时间缩短，CPU利用率提高到89% ，设备利用率也相应提高。
  

• 实现关键：一个CPU要交替执行多个程序，关键在于PC的切换。当需要切换到另一个程序时，操作系统修改PC的值，如从程序1的地址切换到程序2的地址。但仅仅修改PC寄存器是不够的，还需要记录返回地址、寄存器（如ax、bx ）等信息，以便切回原程序时能继续正确执行。
  
  

引入“进程”概念

运行的程序和静态程序不一样，运行中的程序需要记录执行时的各种信息，如当前执行位置、寄存器状态等，这些不一样的地方构成了进程概念的外延。为了描述这种差异，引入了“进程”概念。进程是进行（执行）中的程序，与静态程序相比，进程有开始、结束，会走走停停，需要记录寄存器等信息，而这些信息都存放在PCB（进程控制块）中 。

总结：多进程图像与CPU管理

将前面的内容贯穿起来，操作系统管理CPU，首先是使用CPU ，给一段程序让CPU执行，CPU就能工作。但只执行一个程序CPU利用率低，所以需要让CPU交替执行多个程序，即并发执行。而实现并发就需要记录程序执行状态，这就引出了进程概念。

CPU管理就是启动一个进程让CPU执行，更好地管理CPU则是启动多个进程让CPU交替跑这些进程。多个进程向前跑的样子，就是管理CPU的核心样子，也就是多进程图像。