操作系统(四)虚拟机
Published in:2024-10-19 | category: 操作系统
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CPU 划分时间片

CPU 划分时间片是一种操作系统进行多任务处理的方式。

在多任务操作系统中,多个程序或进程可能同时处于就绪状态,等待 CPU 的执行。由于单个 CPU 在一个时刻只能执行一个任务,为了让多个任务看起来像是在同时运行,操作系统采用时间片轮转调度算法。

一、时间片的概念

时间片是指 CPU 分配给每个进程或任务的一段固定的执行时间。例如,时间片可以设置为 10 毫秒、50 毫秒等。在每个时间片内,当前正在执行的任务独占 CPU 的资源进行计算和处理。

二、时间片轮转调度过程

  1. 任务分配时间片

    • 操作系统将所有就绪状态的任务放入一个任务队列中。当 CPU 空闲时,操作系统从任务队列中选择一个任务,并分配给它一个时间片。
    • 例如,假设有三个任务 A、B 和 C,操作系统首先选择任务 A,并分配给它一个时间片。
  2. 任务执行

    • 任务在获得时间片后开始执行。在时间片内,任务可以进行各种计算、访问内存、进行输入/输出操作等。
    • 如果任务在时间片内完成了所有的工作,它可以退出执行,释放 CPU 资源。如果任务在时间片结束时还没有完成,它会被暂停执行,并被放回任务队列的末尾,等待下一次被调度。
  3. 任务切换

    • 当一个任务的时间片用完时,操作系统会中断当前任务的执行,并保存其执行状态(如寄存器的值、程序计数器的值等)。然后,操作系统从任务队列中选择下一个任务,并分配给它一个时间片。
    • 例如,当任务 A 的时间片用完时,操作系统会保存任务 A 的执行状态,并选择任务 B 进行执行。任务 B 开始执行其时间片,如此循环往复。

三、时间片划分的意义

  1. 实现多任务并发执行

    • 通过时间片划分,操作系统可以让多个任务在 CPU 上交替执行,从而实现多任务的并发执行。虽然在任何一个时刻只有一个任务在实际执行,但由于时间片非常短,用户感觉上多个任务是在同时运行的。
    • 例如,在一个图形用户界面系统中,用户可以同时运行多个应用程序,如浏览器、文本编辑器、音乐播放器等。这些应用程序通过时间片划分在 CPU 上交替执行,用户可以在不同的应用程序之间切换,而感觉不到明显的延迟。
  2. 提高系统资源利用率

    • 时间片划分可以充分利用 CPU 的资源,避免某个任务长时间独占 CPU 而导致其他任务无法执行。通过合理地设置时间片大小,可以平衡各个任务的执行时间,提高系统的整体性能和资源利用率。
    • 例如,如果一个任务需要大量的计算时间,而没有时间片划分,它可能会一直占用 CPU,导致其他任务无法得到执行。而通过时间片划分,即使这个任务需要很长时间才能完成,其他任务也可以在它的时间片用完后得到执行机会,从而提高了系统的资源利用率。
  3. 保证任务的公平性

    • 时间片划分可以保证各个任务在 CPU 上得到公平的执行机会。每个任务都有相同的机会获得时间片,并且在时间片用完后会被放回任务队列的末尾,等待下一次被调度。这样可以避免某个任务因为优先级高或其他原因而一直占用 CPU,导致其他任务无法执行。
    • 例如,在一个多用户系统中,每个用户的任务都应该得到公平的执行机会。通过时间片划分,操作系统可以确保每个用户的任务都能在合理的时间内得到执行,提高系统的公平性和用户体验。

总之,CPU 划分时间片是一种重要的多任务处理方式,它可以实现多任务的并发执行、提高系统资源利用率和保证任务的公平性。操作系统通过合理地设置时间片大小和调度算法,可以优化系统的性能和用户体验。

第一类虚拟机管理程序不需要检查每一条特权指令的执行

虚拟机管理程序(Hypervisor)分为两类,其中第一类虚拟机管理程序也被称为裸机虚拟机管理程序(Bare-metal Hypervisor)。

“第一类虚拟机管理程序不需要检查每一条特权指令的执行”意思如下:

一、特权指令的概念

在计算机系统中,特权指令是指那些只能在最高特权级别(例如内核模式)下执行的指令。这些指令通常涉及对关键系统资源的访问和控制,如修改内存保护机制、设置中断向量、访问 I/O 设备等。如果普通用户程序执行特权指令,可能会导致系统崩溃或安全漏洞。

二、传统虚拟机管理方式的问题

在传统的使用第二类虚拟机管理程序(Hosted Hypervisor,运行在操作系统之上)的情况下,当虚拟机中的操作系统试图执行特权指令时,虚拟机管理程序必须拦截这些指令,并模拟其执行效果。这是因为虚拟机中的操作系统运行在非最高特权级别,不能直接执行特权指令。虚拟机管理程序需要检查每一条可能是特权指令的执行,以确保系统的安全和稳定。

三、第一类虚拟机管理程序的优势

而第一类虚拟机管理程序直接运行在硬件之上,它本身就处于最高特权级别。当虚拟机中的操作系统执行指令时,对于非特权指令可以直接在硬件上执行,对于特权指令,由于虚拟机管理程序已经处于最高特权级别,它可以直接将这些指令传递给硬件执行,而不需要像第二类虚拟机管理程序那样逐条检查。

这样可以减少虚拟机管理程序的开销,提高虚拟机的性能和响应速度。同时,也使得虚拟机的运行更加接近真实的物理机环境,因为特权指令可以直接在硬件上执行,而不需要经过额外的模拟和检查过程。

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