作者 | 碼農(nóng)的荒島求生
人空閑時會發(fā)呆會無聊，計(jì)算機(jī)呢？
假設(shè)你正在用計(jì)算機(jī)瀏覽網(wǎng)頁，當(dāng)網(wǎng)頁加載完成后你開始閱讀，此時你沒有移動鼠標(biāo)，沒有敲擊鍵盤，也沒有網(wǎng)絡(luò)通信，那么你的計(jì)算機(jī)此時在干嘛？
有的同學(xué)可能會覺得這個問題很簡單，但實(shí)際上，這個問題涉及從硬件到軟件、從 CPU 到操作系統(tǒng)等一系列環(huán)節(jié)，理解了這個問題你就能明白操作系統(tǒng)是如何工作的了。
你的計(jì)算機(jī) CPU 使用率是多少？
如果此時你正在計(jì)算機(jī)旁，并且安裝有 Windows 或者 Linux ，你可以立刻看到自己的計(jì)算機(jī) CPU 使用率是多少。可以看到大部分情況下 CPU 利用率很低，也就在 8% 左右，而且開啟了 283 個進(jìn)程，這么多進(jìn)程基本上無所事事，都在等待某個特定事件來喚醒自己，就好比你寫了一個打印用戶輸入的程序，如果用戶一直不按鍵盤，那么你的進(jìn)程就處于這種狀態(tài)。有的同學(xué)可能會想也就你的比較空閑吧，實(shí)際上大部分個人計(jì)算機(jī) CPU 使用率都差不多這樣(排除掉看電影、玩游戲等場景)，如果你的使用率總是很高，風(fēng)扇一直在嗡嗡地轉(zhuǎn)，那么不是軟件 bug 就有可能是病毒。。。那么有的同學(xué)可能會問，剩下的 CPU 時間都去哪里了？這個問題也很簡單，還是以 Win10 為例，打開任務(wù)管理器，找到 “詳細(xì)信息” 這一欄，你會發(fā)現(xiàn)有一個 “系統(tǒng)空閑進(jìn)程”，其 CPU 使用率達(dá)到了 99%，正是這個進(jìn)程消耗了幾乎所有的 CPU 時間。那么為什么存在這樣一個進(jìn)程呢？以及這個進(jìn)程什么時候開始運(yùn)行呢？當(dāng)你用最喜歡的代碼編輯器編寫代碼時，這時的代碼不過就是磁盤上的普通文件，此時的程序和操作系統(tǒng)沒有半毛錢關(guān)系，操作系統(tǒng)也不認(rèn)知這種文本文件。程序員寫完代碼后開始編譯，這時編譯器將普通的文本文件翻譯成二進(jìn)制可執(zhí)行文件，此時的程序依然是保存在磁盤上的文件，和普通的文本文件沒有本質(zhì)區(qū)別。但此時不一樣的是，該文件是可執(zhí)行文件，也就是說操作系統(tǒng)開始 “懂得” 這種文件，所謂 “懂得” 是指操作系統(tǒng)可以識別、解析、加載，因此必定有某種類似協(xié)議的規(guī)范，這樣編譯器按照這種協(xié)議生成可執(zhí)行文件，操作系統(tǒng)就能加載了。在 Linux 下可執(zhí)行文件格式為 ELF ，在 Windows 下是 EXE 。此時雖然操作系統(tǒng)可以識別可執(zhí)行程序，但如果你不去雙擊一下（或者在Linux下運(yùn)行相應(yīng)命令），依然和操作系統(tǒng)沒有半毛錢關(guān)系。但是當(dāng)你運(yùn)行可執(zhí)行程序時魔法就出現(xiàn)了。此時操作系統(tǒng)開始將可執(zhí)行文件加載到內(nèi)存，解析出代碼段、數(shù)據(jù)段等，并為這個程序創(chuàng)建運(yùn)行時需要的堆區(qū)棧區(qū)等內(nèi)存區(qū)域，此時這個程序在內(nèi)存中就是這樣了：最后，根據(jù)可執(zhí)行文件的內(nèi)容，操作系統(tǒng)知道該程序應(yīng)該執(zhí)行的第一條機(jī)器指令是什么，并將其告訴 CPU ，CPU 從該程序的第一條指令開始執(zhí)行，程序就這樣運(yùn)行起來了。一個在內(nèi)存中運(yùn)行起來的程序顯然和保存在磁盤上的二進(jìn)制文件是不一樣的，總得有個名字吧，根據(jù)“弄不懂原則”，這個名字就叫進(jìn)程，英文名叫做 Process。我們把一個運(yùn)行起來的程序叫做進(jìn)程，這就是進(jìn)程的由來。此時操作系統(tǒng)開始掌管進(jìn)程，現(xiàn)在進(jìn)程已經(jīng)有了，那么操作系統(tǒng)是怎么管理進(jìn)程的呢？銀行想必大家都去過，實(shí)際上如果你仔細(xì)觀察的話銀行的辦事大廳就能體現(xiàn)出操作系統(tǒng)最核心的進(jìn)程管理與調(diào)度。首先大家去銀行都要排隊(duì)，類似的，進(jìn)程在操作系統(tǒng)中也是通過隊(duì)列來管理的。同時銀行還按照客戶的重要程度劃分了優(yōu)先級，大部分都是普通客戶；但當(dāng)你在這家銀行存上幾個億時就能升級為 VIP 客戶，優(yōu)先級最高，每次去銀行都不用排隊(duì)，優(yōu)先辦理你的業(yè)務(wù)。類似的，操作系統(tǒng)也會為進(jìn)程劃分優(yōu)先級，操作系統(tǒng)會根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級將其放到相應(yīng)的隊(duì)列中供調(diào)度器調(diào)度。這就是操作系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的最核心功能。現(xiàn)在準(zhǔn)備工作已經(jīng)就緒。接下來的問題就是操作系統(tǒng)如何確定是否還有進(jìn)程需要運(yùn)行。隊(duì)列判空：一個更好的設(shè)計(jì)
從上一節(jié)我們知道，實(shí)際上操作系統(tǒng)是用隊(duì)列來管理進(jìn)程的，那么很顯然，如果隊(duì)列已經(jīng)為空，那么說明此時操作系統(tǒng)內(nèi)部沒有進(jìn)程需要運(yùn)行，這是 CPU 就空閑下來了，此時，我們需要做點(diǎn)什么，就像這樣：if (queue.empty()) { do_someting();}
這些編寫內(nèi)核代碼雖然簡單，但內(nèi)核中到處充斥著 if 這種異常處理的語句，這會讓代碼看起來一團(tuán)糟，因此更好的設(shè)計(jì)是沒有異常，那么怎樣才能沒有異常呢？很簡單，那就是讓隊(duì)列永遠(yuǎn)不會空，這樣調(diào)度器永遠(yuǎn)能從隊(duì)列中找到一個可供運(yùn)行的進(jìn)程。而這也是為什么鏈表中通常會有哨兵節(jié)點(diǎn)的原因，就是為了避免各種判空，這樣既容易出錯也會讓代碼一團(tuán)糟。就這樣，內(nèi)核設(shè)計(jì)者創(chuàng)建了一個叫做空閑任務(wù)的進(jìn)程，這個進(jìn)程就是 Windows 下的我們最開始看到的“系統(tǒng)空閑進(jìn)程”，在 Linux 下就是第 0 號進(jìn)程。當(dāng)其它進(jìn)程都處于不可運(yùn)行狀態(tài)時，調(diào)度器就從隊(duì)列中取出空閑進(jìn)程運(yùn)行，顯然，空閑進(jìn)程永遠(yuǎn)處于就緒狀態(tài)，且優(yōu)先級最低。既然我們已經(jīng)知道了，當(dāng)系統(tǒng)無所事事后開始運(yùn)行空閑進(jìn)程，那么這個空閑進(jìn)程到底在干嘛呢？在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，一切最終都要靠 CPU 來驅(qū)動，CPU 才是那個真正干活的。原來，CPU 設(shè)計(jì)者早就考慮到系統(tǒng)會存在空閑的可能，因此設(shè)計(jì)了一條機(jī)器指令，這個機(jī)器指令就是 halt 指令，停止的意思。這條指令會讓部分 CPU 進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而極大減少對電力的消耗，通常這條指令也被放到循環(huán)中執(zhí)行，原因也很簡單，就是要維持這種休眠狀態(tài)。值得注意的是，halt 指令是特權(quán)指令，也就是說只有在內(nèi)核態(tài)下 CPU 才可以執(zhí)行這條指令，程序員寫的應(yīng)用都運(yùn)行在用戶態(tài)，因此你沒有辦法在用戶態(tài)讓 CPU 去執(zhí)行這條指令。此外，不要把進(jìn)程掛起和 halt 指令混淆，當(dāng)我們調(diào)用 sleep 之類函數(shù)時，暫停運(yùn)行的只是進(jìn)程，此時如果還有其它進(jìn)程可以運(yùn)行那么 CPU 是不會空閑下來的，當(dāng) CPU 開始執(zhí)行 halt 指令時就意味著系統(tǒng)中所有進(jìn)程都已經(jīng)暫停運(yùn)行。現(xiàn)在我們有了 halt 機(jī)器指令，同時有一個循環(huán)來不停地執(zhí)行 halt 指令，這樣空閑任務(wù)進(jìn)程實(shí)際上就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，其本質(zhì)上就是這個不斷執(zhí)行 halt 指令的循環(huán)，大功告成。這樣，當(dāng)調(diào)度器在沒有其它進(jìn)程可供調(diào)度時就開始運(yùn)行空閑進(jìn)程，也就是在循環(huán)中不斷地執(zhí)行 halt 指令，此時 CPU 開始進(jìn)入低功耗狀態(tài)。在 Linux 內(nèi)核中，這段代碼是這樣寫的：while (1) { while(!need_resched()) { cpuidle_idle_call(); }}
其中 cpuidle_idle_call 函數(shù)最終會執(zhí)行 halt 指令，注意，這里刪掉了很多細(xì)節(jié)，只保留最核心代碼，實(shí)際上 Linux 內(nèi)核在實(shí)現(xiàn)空閑進(jìn)程時還要考慮很多很多，不同類型的 CPU 可能會有深睡眠淺睡眠之類，操作系統(tǒng)必須要預(yù)測出系統(tǒng)可能的空閑時長并以此判斷要進(jìn)入哪種休眠等等，但這并不是我們關(guān)注的重點(diǎn)。
總的來說，這就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)空閑時 CPU 在干嘛，就是在執(zhí)行這一段代碼，本質(zhì)上就是 CPU 在執(zhí)行 halt 指令。實(shí)際上，對于個人計(jì)算機(jī)來說，halt 可能是 CPU 執(zhí)行最多的一條指令，全世界的 CPU 大部分時間都用在這條指令上了，是不是很奇怪。CPU 空閑時執(zhí)行特定的 halt 指令，這看上去是一個很簡單的問題，但實(shí)際上由于 halt 是特權(quán)指令，只有操作系統(tǒng)才可以去執(zhí)行，因此 CPU 空閑時執(zhí)行 halt 指令就變成了軟件和硬件相結(jié)合的問題。操作系統(tǒng)必須判斷什么情況下系統(tǒng)是空閑的，這涉及到進(jìn)程管理和進(jìn)程調(diào)度，同時，halt 指令其實(shí)是放到了一個 while 死循環(huán)中，而且這個循環(huán)里沒有 break 語句，也沒有 return，操作系統(tǒng)必須有辦法能跳出循環(huán)，所以，CPU 空閑時執(zhí)行 halt 指令并沒有看上去那么簡單。希望這篇文章對大家理解 CPU 和操作系統(tǒng)有所幫助。
