【杂谈】操作系统如何有效地掌控CPU

操作系统的本质

操作系统本质上也是一个进程，它与其他用户进程共享CPU。与普通进程不同的是，它具有硬件的所有访问权限。而用户进程默认对硬件是没有任何访问权限的，它只能通过系统调用，委托操作系统来完成这些操作。

问题

当操作系统在创建完一个进程后，会将CPU的控制权交给这个新创建的进程。上下文切换，大家应该都知道。操作系统要做的就是停止一个进程，然后再启动另一个进程。很简单是吧，那么问题来了，操作系统的程序都不在运行了，它已经把CPU的使用权给其他进程了，怎么对这个进程进行控制呢？

协作方式：等待系统调用

在过去的某些系统中曾经就使用过这种方式，在这种情况下，操作系统信任用户进程可以正确地执行，不会出幺蛾子。

以下两种情况出现时，CPU会恢复操作系统进程：

注：trap handler和exception handler是在电脑开机的时候告知CPU的

操作系统就恢复了对CPU的控制，在这个时候它就可以决定要不要进行上下文切换。

缺点：

1.只能被动地等待用户进程进行System Call或者出错，操作系统才能恢复对CPU的控制

2.如果用户进程没有进行I/O操作，进入死循环，则操作系统永远无法恢复控制，唯一的解决方法就是重启

非协作方式：定时器中断

以上方式有明显的缺点，为了让计算机提供稳定的服务，操作系统必须把对用户进程进行把控。而要想把控进程则必须保持对CPU的控制权。

如果不能让在CPU内部执行的程序让出CPU，那能不能从外部侵入，打断CPU的执行呢？

可以，早期的操作系统开发人员就想到用定时器中断的方式来处理，定时器是单独的一个硬件设备，它可以独立运行。每隔一段时间就给CPU一个中断信号，打断它的执行。

但是打断归打断，怎么恢复操作系统呢？

和上面一样，CPU在开机的时候会被告知一个interrup handler，当中断出现的时候，它的处理方式就是恢复操作系统进程。那这个时候OS的程序就又可以继续运行了。

准备工作

综上，针对这个定时器中断的方案，操作系统在电脑开机的时候，要做这几件事，一个是开启定时器，设定间隔时间。另一个是告知CPU，让它知道当定时器中断产生的时候该执行什么代码。

注：时间片的大小一般是定时器中断时间的倍数。所以当某次因中断恢复OS的时候，刚好可以执行上下文切换。