CPU如何执行进程详解

从CPU如何执行进程说起

CPU妈妈：大家好，我是CPU，我是计算机的大脑，负责发出各种命令，掌控整个计算机系统。

内存儿子：大家好，我是内存，我负责存储指令和数据。

CPU妈妈：现在我命令你将地址为66的指令发送给我。

内存儿子：好的，我立刻将指令发送给你。

CPU妈妈：我已经接收到你发送的指令了。这是一条要求“计算1+1的结果，然后将结果存储到地址6666”的指令。我计算后得出结果是2，现在我命令你将这个结果2存储到地址6666。

CPU妈妈：继续执行，刚才我执行了地址为66的指令，现在我命令你将地址为67的指令发送给我。

内存儿子：好的，我马上发送给你。

CPU妈妈：我已经接收到你发送的指令。这是一条“xxxxxxx”的指令，我现在执行它......

可以看出，CPU会自动不断地取指令、解码指令并执行指令，这个过程会循环往复，指令将逐条被执行。

因此，管理CPU最直接的方法就是：设定第一条指令的位置，然后让它按顺序执行！

设定第一条指令的位置为50，接下来CPU会继续取指令，依次取出51、52位置的指令，如此持续下去。

但是，我们需要检查这种方法是否存在问题。

我们进行了一个实验，在Windows下运行两个预先编写的C程序进行循环。程序一的循环中包含IO操作（写入磁盘），程序二的循环中只有计算和赋值指令。

程序一：

程序二：

程序一的循环包含IO操作，1000次循环需要0.859000秒，而程序二的循环不包含IO操作，10000000次循环只需0.015000秒。

由此可见，IO操作非常耗时，且在进行IO操作时，CPU并不参与工作，因为CPU只负责取指令和计算指令的结果。

如果CPU按照上述方式，一条条取指令并执行，那么在进行IO操作时，CPU必须等待IO操作完成后才能继续取下一条指令并执行。

我们该如何解决这个问题呢?

我们需要确保CPU得到充分利用，提高CPU的利用率，从而使整个系统运行得更快。此时，操作系统就需要发挥作用了......

因此，如图所示，在执行程序1时遇到IO操作时，CPU不必傻傻地等待IO操作完成后再继续执行。操作系统可以先记录程序1的当前运行状态，然后让CPU转去执行程序2的计算指令。当程序2执行到某一时刻，操作系统收到程序1的IO操作完成的通知，程序1就有机会重新获得CPU资源（只是有机会，不是马上，这取决于操作系统的调度策略，稍后会详细讲解），恢复记录的状态，然后继续执行......

因此，这就是多道程序、交替执行，不会让CPU傻傻地等待，充分利用资源，不停地计算、不停地工作。

所以，一个CPU上交替执行多个程序被称为并发。

从宏观上看，它是多个程序同时向前推进。

但从微观上看，它是多个程序相互交替地向前推进。

要实现CPU的切换，必须有东西记录进程的运行状态，那么这个东西是什么呢？

操作系统为每个程序提供了一个名为PCB的数据结构（稍后会详细讲解）。它记录了程序执行到哪个位置，执行过的值的状态、相关寄存器的状态等信息，供CPU再次返回时恢复现场使用。因为程序已经运行了一半，此时CPU跳出去了，CPU下次回到该程序时，需要知道从哪里继续执行，以及跳出前得到的值等信息，这样程序才能顺利继续执行......

因此，引入PCB后，运行中的程序和静态的程序就不一样了。

运行中的程序：在内存中运行的程序，需要有PCB记录程序运行时的状态。

静态的程序：尚未调入内存运行的，躺在磁盘上的死程序。

因此，我们进一步引入了“进程”的概念，它就是上述所说的运行中的程序。我们所说的程序是静态的程序，它们的所有区别都体现在PCB上。

1）进程有开始和结束，程序只是死程序，没有这些，躺在磁盘上。

2）进程会走走停停，程序没有走走停停的概念。

3）进程需要PCB记录进程状态，而程序不需要。

下一节，我们将重点讨论进程。欢迎持续关注。

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