《刨根问底系列》01：操作系统凭什么可以调度程序？

一、问题的提出

#include<stdio.h>int main()
{while(1){printf("hello word");}return 0;
}

上面的程序是一个死循环，不停的输出“hello world”，将这个程序在一个单核计算机上运行两个实例（进程），这两个进程会同时执行，都在不停的输出。另一方面，我们知道一个cpu同时只能执行一条指令，这个执行后就停不下来的程序，似乎没有任何代码能够打断它，那么操作系统是如何将cpu分给他们的呢？是在什么时候中断一个进程？怎么中断的呢？

二、计算机的本质

回答上面问题前，先了解一点基础。如上图，计算机的本质就是将指令放在内存中，cpu去内存中取出并执行，取哪一条指令，由CPU内部的一个寄存器IP确定，一般情况下IP会每次加一，即指令顺序执行。显然所有指令都顺序执行是不行的，所以IP的值也可以由上一条执行的指令主动修改，比如JMP跳转指令实际上是修改了IP，也就达到了跳转的效果。这样,顺序执行时的IP加一，配合上指令导致的IP修改，让程序可以根据内外状态在所有指令上跳来跳去的执行，也就构成了程序的整个执行逻辑。

如上图的三条指令，分别给A寄存器赋初值100、再对寄存器A加一、最后跳回第二条，从而形成一个循环，即不停的给寄存器A加一。

三、任务调度的原理

至此，还是没有回答为什么任务可以调度的问题，即一个进程正在执行，操作系统如何将它停下来，去执行另一个任务。其实答案很简单，就是cpu每执行下一条指令前，会去检查一下它内部的一个状态值，如果这个状态值为真，就代表我们需要中断一下当前的执行，进行一些管理操作。在这里是任务切换工作，即它会将指令指针设置为操作系统中的进程调度代码，后续交由操作系统来按一定的策略选择下一个需要执行的任务，也就是将IP指向该选中任务的指令，整个过程如下图。

四、中断状态值是谁设置的

上面提到，cpu在每执行一条指令后，都会去检查一个状态值（上面伪代码中的need_interrupt），用以决定是否将执行流跳转到管理代码中。其它这个状态值，就是中断信号，那么这个中断的信号是谁产生的呢，答案是它可以由任务代码自己产生，但是更重要的是，他是可以由cpu硬件来产生的，因为我们的任务调度代码是由中断信号来触发的，所以我们需要一个强制性的外部产生的信号，来无条件打断任务的正常执行流。

其实中断是实现操作系统的必要条件，不只任务的调度需要中断的参与，IO也需要中断，比如键盘上有按键按下、硬盘读取出了数据、网上收到了数据。而且中断的种类非常的多，系统上有专门管理中断的硬件。

五、进程切换后的状态保存问题

cpu的寄存器只有一套，但是每个任务都需要自己的寄存器，比如指令指针IP、栈指令SP，而且相互之前不能干扰。所以，操作系统进行任务切换时，会将换出任务的寄存器保存到内存中，将换入任务的寄存器从内存还原到寄存器。

六、小结：

cpu保证在每执行一个执行后，都会去检测中断标志，如果中断标志为真，则会将指令指针指向系统预设的一处代码，这段代码会挑选出下一个将执行的任务，并将IP指向它的代码，在下一个指令周期执行它。
任务调度是cpu、操作系统一起配合完成的。