第二章：时间片调度

这篇文章是关于操作系统如何通过时间片轮转调度（timeslice round-robin scheduling）来实现多任务处理的。

1. 多任务处理的挑战：

• 假设你在构建一个操作系统，用户需要同时运行多个程序。
• 你的CPU不支持多核处理，只能一次执行一个指令。

2. 模拟并行性：

• 通过让进程轮流在CPU上运行，可以模拟并行性。
• 通过周期性地在进程间切换并执行每个进程的几个指令，可以使得所有进程都保持响应，而没有单一进程独占CPU。

3. 如何控制进程切换：

• 利用大多数计算机自带的定时器芯片（timer chips），可以设置在一定时间后触发操作系统中断处理程序。
• 这涉及到硬件中断的使用，与软件中断不同，硬件中断是由硬件（如定时器芯片）触发的。

4. 硬件中断的工作原理：

• 设置定时器芯片在一段时间后触发中断。
• 操作系统切换到用户模式并执行程序的下一条指令。
• 定时器到期时触发硬件中断，切换到内核模式并跳转到操作系统代码。
• 操作系统保存当前程序的状态，加载不同的程序，并重复此过程。

5. 时间片计算：

• 时间片（timeslice）是操作系统调度器允许一个进程运行的时间长度，然后进行抢占。
• 最简单的方法是给每个进程相同的时间片，例如10毫秒，并按顺序循环执行任务，这称为固定时间片轮转调度。

6. 时间片术语：

• 时间片也常被称为“量子”（quantums）。
• Linux内核开发人员使用“jiffy”时间单位来计算固定频率的定时器滴答声，用于测量时间片的长度。

7. 目标延迟与动态时间片：

• 改进固定时间片调度的方法是选择一个目标延迟，即进程响应的理想最长时间为被抢占后恢复执行的时间。
• 时间片通过将目标延迟除以总任务数来计算，这比固定时间片调度更好，因为它减少了在进程较少时的浪费任务切换。

8. 时间片的最小粒度：

• 进程切换在计算上是昂贵的，因为它需要保存当前程序的整个状态并恢复不同的状态。
• 时间片持续时间有一个下限（最小粒度），这意味着当进程数量足够多，以至于最小粒度生效时，目标延迟可能会被超过。

9. Linux调度器：

• 文章撰写时，Linux的调度器使用6毫秒的目标延迟和0.75毫秒的最小粒度。
• Linux自2007年以来使用的调度器称为完全公平调度器（Completely Fair Scheduler, CFS），它执行许多复杂的计算机科学操作来优先级排序任务和分配CPU时间。

10. 内核抢占性：

• 现代内核，包括Linux，是可抢占的内核，这意味着内核代码本身可以像用户空间进程一样被中断和调度。

11. 历史背景：

• 早期操作系统，包括经典的Mac OS和早期的Windows版本，使用了抢占式多任务处理的前身，称为合作式多任务处理。
• 在合作式多任务处理中，程序本身选择让操作系统接管，通过触发软件中断来允许其他程序运行。

这篇文章提供了操作系统多任务处理的基础知识，特别是时间片轮转调度的概念和实现方式。通过阅读这篇文章，你可以了解到操作系统如何通过时间片来管理多个进程的执行，以及Linux内核调度器的工作原理。