本文是自己在深入阅读Operating Systems Three Easy Pieces关于虚拟化CPU的知识点总结，后面会不断更新连续每一节，欢迎大家批评指正
0. overview
💡 为了能够虚拟化cpu，因此os需要实现一些机制来共享cpu→ time sharing，让一个程序运行一段时间，然后在切换到另外一个程序执行一段时间。存在一些挑战
- 性能需要控制好
- 需要保持对程序的控制，控制其运行时间和访问的数据 因此，在保持控制的同时获得高性能是构建操作系统的核心挑战之一。
1. Basic Technique: Limited Direct Execution
为了能够是程序像期望的一样执行，开发者提出了一种"有限直接执行：Limited Direct Execution"。
反过来"直接执行：Direct Execution" 指的是：直接将程序运行在cpu上
- 在进程链表中创建进程实体
- 为该进程分配内存
- 从disk将代码数据载入内存，并定位到函数执行入口（main）,然后执行程序
- 执行完return后，返回到OS内核，并清除进程链表中的该进程
直接执行产生的问题：
- 若直接运行程序，OS如何限制程序执行，保证程序会按预期正常执行？
- 程序运行时，OS如何停止程序执行，并切换到其他程序上去？从而实现Time sharing.
2 直接执行引发的问题1: 限制操作
直接执行程序速度显然比较快，但若进程想执行 I/O 和其他一些的受限操作（如系统调用这些） ，或访问系统的资源，但又不能让进程完全控制系统。操作系统和硬件如何协同工作来做到这一点？
通过引入一种的处理器模式状态。
- user mode : 用户模式\用户态，限制用户的程序只能运行在该状态，不能进入系统内核执行，如不能直接执行I/O操作。但想执行咋办？→通过系统调用
- kernel mode：内核模式\内核态，在这种模式下，运行的代码可以做它喜欢的事情，包括特权操作，例如发出I / O请求和执行所有类型的受限制指令。
所以用户程序想要执行系统内核的代码，则需要通过系统调用 ，系统调用允许内核小心地向用户程序公开某些关键功能，例如访问文件系统等。
为了执行系统调用，需要两种特殊的指令：
- trap instruction，陷入指令：该指令同时跳转到内核并将权限级别提升到内核模式;一旦进入内核，系统现在可以按形式执行所需的任何特权操作，如I/O操作（如果允许），从而为调用进程执行所需的工作。
- return-from-trap instruction，从陷入指令返回指令。完成后，操作系统调用一个特殊的从陷阱返回指令，该指令返回到调用用户程序中，同时将特权级别降低回用户模式。
硬件在执行陷入指令时需要注意，因为它必须确保保存调用者寄存器的内容，以便在操作系统发出从陷阱返回指令时能够正确返回。
另一个问题：当程序调用系统调用时，该如何知道在OS哪里运行该系统调用的代码？
- 内核在启动的时候设置trap table 。当机器启动时，它以特权（内核）模式启动，因此可以根据需要自由配置机器硬件。因此，操作系统要做的第一件事就是告诉硬件在某些（trap指令时）异常事件发生时要运行什么代码。
- OS会告诉硬件这些陷入指令处理的硬件位置（通常是一些指令）。一旦通知硬件，它就会记住这些处理程序的位置，直到机器下次重新启动，因此硬件知道当系统调用和其他异常事件发生时要做什么（即跳转到什么代码）
- 为了标识 指定确切的系统调用，会给每个系统调用分配一个系统调用号码。用于标识每个系统调用。用户模式下调用系统调用时，会负责将系统调用号码放到 指定的寄存器或者堆栈的某个位置。
- 由OS系统调用的处理器来检查该系统调用号码，判断是否有效或者合法。
3 直接执行的问题2: 进程间的切换
直接执行的下一个问题是实现进程之间的切换。操作系统应该决定停止一个进程并启动另一个进程。
具体来说，如果一个进程在CPU上运行，根据定义，**这意味着操作系统没有运行。**如果操作系统没有运行，它怎么能做任何事情呢？（提示：它不能）虽然这听起来几乎是哲学上的，但这是一个真正的问题：如果OS不在CPU上运行，操作系统显然没有办法采取行动。
所以，操作系统如何重新获得对CPU的控制，以便它可以在进程之间切换？
3.1 A Cooperative Approach: Wait For System Calls
在协作调度系统中，操作系统通过等待程序系统调用 或某种非法操作的发生来重新获得对CPU的控制权。但是若有程序永远循环执行，且不调用系统调用，岂不是完蛋？
3.2 A Non-Cooperative Approach: The OS Takes Control
即使进程不合作，**操作系统如何获得对CPU的控制？**操作系统可以做些什么来确保流氓进程（无限执行）不会发生在机器上？→通过时间中断器
可以对定时器设备进行编程，使其每隔这么多毫秒就引发一次中断；当中断被引发时，当前运行的进程被暂停，并且操作系统中预先配置的中断处理程序运行 。此时，操作系统重新获得了对 CPU 的控制权，因此可以为所欲为：停止当前进程，并启动另一个进程。
一旦计时器开始，操作系统就可以感到安全，因为控制权最终将被归还给它，因此操作系统可以自由地运行用户程序。计时器也可以关闭（也是一种特权操作），稍后我们将在更详细地了解并发性时讨论。
请注意，当中断发生时，硬件有一些责任，特别是保存中断发生时正在运行的程序的状态，以便后续的从陷阱返回指令将能够正确恢复正在运行的程序。这组操作与硬件在显式系统调用陷阱进入内核期间的行为非常相似，因此可以保存各种寄存器（例如，保存到内核堆栈上），从而通过从陷阱返回的指令轻松恢复。
3.3 保存和恢复上下文
上下文切换在概念上很简单：操作系统所要做的就是为当前正在执行的进程保存一些寄存器值（例如，到其内核堆栈上）并为即将执行的进程恢复一些值（从它的内核堆栈）。
3.4 并发执行，中断怎么办？
当你处理一个中断而另一个中断发生时会发生什么？这在内核中不是很难处理吗？
- 在处理中断程序时，关中断，这样做可确保在处理一个中断时，不会向 CPU 提供其他中断。若关中断太长则会导致失去一些程序的中断
- 操作系统还开发了许多复杂的锁方案，以保护对内部数据结构的并发访问。这使得多个活动可以同时在内核中进行，这在多处理器上特别有用。
💡 因此，我们有了虚拟化CPU的基本机制。但是，一个主要问题尚未得到解答：我们应该在给定时间运行哪个进程？调度程序必须回答的正是这个问题，因此也是我们研究的下一个主题。