點我檢視祕籍連載

假象：“並行”執行多個程序

現代作業系統都支援多工同時執行。在這裡，作業系統對我們使用者“營造了一種假象”，讓CPU看上去是用不完的，能夠不斷地新增新的程式使它們同時執行。

但每核CPU在某一時刻都只能執行一個程序。使用作業系統的人是不會去關注CPU是單核還是多核的，每個人都希望作業系統能同時執行多個程式，比如可以同時看網頁、發郵件、聊QQ、聽音樂等。

所以作業系統提供的多程式同時執行是“偽並行”。要想實現真正的並行執行多個程序，只能使用多核CPU來實現。

OS營造這種假象的技術是“CPU時間共享（time sharing）”，也稱為“分時系統”，即CPU執行一會程序A，然後停下來去執行一會程序B，再停下來執行一會程序A。即，每個程序都只執行一會，然後CPU切換去執行其它程序，每一段執行和切換的時間很短（每秒能執行很多個程序），使得使用者以為程序根本未停過，從而形成了假象。

例如，下圖描述了分時系統的程序切換方式。程序A執行一會後切換到程序B，B執行一會後又切換到C，C執行一會後又切換到B，再切換回C、A、C、D。

這種不斷切換程序的機制，其關鍵技術是CPU從一個程序切換到另一個程序，這是通過“上下文切換（context switch）”實現的。上下文切換可以直接理解為程序的切換，之所以使用“上下文”這個術語，是因為CPU要從程序A切換到程序B時，必然要儲存程序A的執行環境，比如進入切換時程序A執行到了哪個地方，以便下次切換回程序A的時候能夠從這裡恢復繼續執行，此外，既然要切換到程序B，必然還要恢復之前已儲存好的程序B的執行環境，才能知道從哪裡開始繼續執行程序B。而在計算機世界中，“環境”和“上下文”通常是可以互換的概念，所以CPU的上下文切換正是兩個前後程序執行環境的切換。

CPU時間共享的好處是提升了互動性，因為每個程序都可以儘快地執行起來，都能夠更快地被響應，使得每個程序都像是被公平對待，這是非常感人的。但是時間共享卻帶來了另外一個問題，站在程序的角度上看，每個程序從啟動開始到執行完成，中間需要花費更長時間，而且很多時間處於等待狀態。

再考慮另外一個問題，既然要不斷的切換程序，作業系統如何選擇下一個要執行的程序？例如下圖中，當程序D開始程序切換時，下一個要執行的是哪個程序呢？

選擇下一個要執行的程序，是通過作業系統的程序排程程式（也稱為排程器或排程類）來決定的，排程器根據一些排程演算法策略決定哪個程序將幸運地被選中（即，被排程到）作為下一個要執行的程序。

而程序排程演算法策略的兩個關鍵性指標正是響應時間和週轉時間。響應時間體現的是互動性和公平性，響應時間越短，表示互動時能更快得到響應，比如當敲下鍵盤時，使用者肯定不希望還要等一段時間才顯示字元。週轉時間體現的是何時完成任務的問題，週轉時間越短，表示從啟動開始到執行結束所花的時間更短，也就是更快完成任務。

另外，雖然在分時系統下，通過為每個程序分配固定的時間片能保證每個程序都有機會執行，但總會有一些程序是比較重要的，它們的優先順序比較高，它們可以從當前正在執行的程序處搶佔CPU，這稱為“搶佔式多工處理”。當然，這裡的搶佔並不是真的無條件搶到CPU，CPU給誰是由作業系統的排程策略決定的，“搶佔”只是表明某程序比較重要，應當優待，比如讓該程序儘快執行或讓它多執行一會。

程序排程是非常重要的概念，在後面還會專門花費一些篇幅介紹程序的排程。