并行的假象和分时系统

Posted 2020-11-27 liujunjun

假象：“并行”运行多个进程

现代操作系统都支持多任务同时执行。在这里，操作系统对我们用户“营造了一种假象”，让CPU看上去是用不完的，能够不断地添加新的程序使它们同时运行。

但每核CPU在某一时刻都只能执行一个进程。使用操作系统的人是不会去关注CPU是单核还是多核的，每个人都希望操作系统能同时运行多个程序，比如可以同时看网页、发邮件、聊QQ、听音乐等。

所以操作系统提供的多程序同时运行是“伪并行”。要想实现真正的并行运行多个进程，只能使用多核CPU来实现。

OS营造这种假象的技术是“CPU时间共享（time sharing）”，也称为“分时系统”，即CPU执行一会进程A，然后停下来去执行一会进程B，再停下来执行一会进程A。即，每个进程都只执行一会，然后CPU切换去执行其它进程，每一段执行和切换的时间很短（每秒能执行很多个进程），使得用户以为进程根本未停过，从而形成了假象。

例如，下图描述了分时系统的进程切换方式。进程A执行一会后切换到进程B，B执行一会后又切换到C，C执行一会后又切换到B，再切换回C、A、C、D。

这种不断切换进程的机制，其关键技术是CPU从一个进程切换到另一个进程，这是通过“上下文切换（context switch）”实现的。上下文切换可以直接理解为进程的切换，之所以使用“上下文”这个术语，是因为CPU要从进程A切换到进程B时，必然要保存进程A的执行环境，比如进入切换时进程A执行到了哪个地方，以便下次切换回进程A的时候能够从这里恢复继续执行，此外，既然要切换到进程B，必然还要恢复之前已保存好的进程B的执行环境，才能知道从哪里开始继续执行进程B。而在计算机世界中，“环境”和“上下文”通常是可以互换的概念，所以CPU的上下文切换正是两个前后进程执行环境的切换。

上面每个进程执行一会就会切换到另一个进程，这个执行的时长称为进间片。当一个进程耗尽所有时间片后，将切换到其他进程，那么时间片长好还短好？进间片分配过短，上下文切换就会越频繁，而且上下文切换是有开销的，时间片过长，则每个进程需要等待运行时间就越长，意味着交互性越差。一个常见的时间片长度是100 ms，但是现在LINUX（从LINUX2.6.23开始）的时间片是动态计算的，并非完全固定的值。

CPU时间共享的好处是提升了交互性，因为每个进程都可以尽快地执行起来，都能够更快地被响应，使得每个进程都像是被公平对待，这是非常感人的。但是时间共享却带来了另外一个问题，站在进程的角度上看，每个进程从启动开始到执行完成，中间需要花费更长时间，而且很多时间处于等待状态。

再考虑另外一个问题，既然要不断的切换进程，操作系统如何选择下一个要执行的进程？例如下图中，当进程D开始进程切换时，下一个要执行的是哪个进程呢？

选择下一个要执行的进程，是通过操作系统的进程调度程序（也称为调度器或调度类）来决定的，调度器根据一些调度算法策略决定哪个进程将幸运地被选中（即，被调度到）作为下一个要执行的进程。

而进程调度算法策略的两个关键性指标正是响应时间和周转时间。响应时间体现的是交互性和公平性，响应时间越短，表示交互时能更快得到响应，比如当敲下键盘时，用户肯定不希望还要等一段时间才显示字符。周转时间体现的是何时完成任务的问题，周转时间越短，表示从启动开始到执行结束所花的时间更短，也就是更快完成任务。

另外，虽然在分时系统下，通过为每个进程分配固定的时间片能保证每个进程都有机会执行，但总会有一些进程是比较重要的，它们的优先级比较高，它们可以从当前正在执行的进程处抢占CPU，这称为“抢占式多任务处理”。当然，这里的抢占并不是真的无条件抢到CPU，CPU给谁是由操作系统的调度策略决定的，“抢占”只是表明某进程比较重要，应当优待，比如让该进程尽快执行或让它多执行一会。