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[26396] 2021-03-19_CPU空闲时在干嘛？

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2021-03-19_CPU空闲时在干嘛？ C P U   空 闲 时 在 干 嘛 ？ 码 农 的 荒 岛 求 生   L i n u x 学 习   2 0 2 1 - 0 3 - 1 9 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 码 农 的 荒 岛 求 生 码 农 的 荒 岛 求 生 人 空 闲 时 会 发 呆 会 无 聊 ， 计 算 机 呢 ？ 假 设 你 正 在 用 计 算 机 浏 览 网 页 ， 当 网 页 加 载 完 成 后 你 开 始 阅 读 ， 此 时 你 没 有 移 动 鼠 标 ， 没 有 敲 击 键 盘 ， 也 没 有 网 络 通 信 ， 那 么 你 的 计 算 机 此 时 在 干 嘛 ？ 有 的 同 学 可 能 会 觉 得 这 个 问 题 很 简 单 ， 但 实 际 上 ， 这 个 问 题 涉 及 从 硬 件 到 软 件 、 从   C P U   到 操 作 系 统 等 一 系 列 环 节 ， 理 解 了 这 个 问 题 你 就 能 明 白 操 作 系 统 是 如 何 工 作 的 了 。 你 的 计 算 机 你 的 计 算 机   C P U   使 用 率 是 多 使 用 率 是 多 少 ？ 少 ？ 如 果 此 时 你 正 在 计 算 机 旁 ， 并 且 安 装 有   W i n d o w s   或 者   L i n u x   ， 你 可 以 立 刻 看 到 自 己 的 计 算 机   C P U   使 用 率 是 多 少 。 这 是 博 主 的 一 台 安 装 有   W i n 1 0   的 笔 记 本 ： 可 以 看 到 大 部 分 情 况 下   C P U   利 用 率 很 低 ， 也 就 在   8 %   左 右 ， 而 且 开 启 了   2 8 3   个 进 程 ， 这 么 多 进 程 基 本 上 无 这 么 多 进 程 基 本 上 无 所 事 事 所 事 事 ， 都 在 等 待 某 个 特 定 事 件 来 唤 醒 自 己 都 在 等 待 某 个 特 定 事 件 来 唤 醒 自 己 ， 就 好 比 你 写 了 一 个 打 印 用 户 输 入 的 程 序 ， 如 果 用 户 一 直 不 按 键 盘 ， 那 么 你 的 进 程 就 处 于 这 种 状 态 。 有 的 同 学 可 能 会 想 也 就 你 的 比 较 空 闲 吧 ， 实 际 上 大 部 分 个 人 计 算 机   C P U   使 用 率 都 差 不 多 这 样 ( 排 除 掉 看 电 影 、 玩 游 戏 等 场 景 ) ， 如 果 你 的 使 用 率 总 是 总 是 很 高 ， 风 扇 一 直 在 嗡 嗡 的 转 ， 那 么 不 是 软 件   b u g   就 有 可 能 是 病 毒 。 。 。
那 么 有 的 同 学 可 能 会 问 ， 剩 下 的   C P U   时 间 都 去 哪 里 了 ？ 剩 下 的 剩 下 的   C P U   时 间 去 哪 里 时 间 去 哪 里 了 ？ 了 ？ 这 个 问 题 也 很 简 单 ， 还 是 以   W i n 1 0   为 例 ， 打 开 任 务 管 理 器 ， 找 到   “ 详 细 信 息 ”   这 一 栏 ， 你 会 发 现 有 一 个   “ 系 统 空 闲 进 程 ” ， 其   C P U   使 用 率 达 到 了   9 9 % ， 正 是 这 个 进 程 消 耗 了 几 乎 所 有 的   C P U   时 间 。 那 么 为 什 么 存 在 这 样 一 个 进 程 呢 ？ 以 及 这 个 进 程 什 么 时 候 开 始 运 行 呢 ？ 这 就 要 从 操 作 系 统 说 起 了 。 程 序 、 进 程 与 操 作 系 统 程 序 、 进 程 与 操 作 系 统 当 你 用 最 喜 欢 的 代 码 编 辑 器 编 写 代 码 时 ， 这 时 的 代 码 不 过 就 是 磁 盘 上 的 普 通 文 件 ， 此 时 的 程 序 和 操 作 系 统 没 有 半 毛 钱 关 系 ， 操 作 系 统 也 不 认 知 这 种 文 本 文 件 。 程 序 员 写 完 代 码 后 开 始 编 译 ， 这 时 编 译 器 将 普 通 的 文 本 文 件 翻 译 成 二 进 制 可 执 行 文 件 ， 此 时 的 程 序 依 然 是 保 存 在 磁 盘 上 的 文 件 ， 和 普 通 没 有 本 质 区 别 。
但 此 时 不 一 样 的 是 ， 该 文 件 是 可 执 行 文 件 ， 也 就 是 说 操 作 系 统 开 始   “ 懂 得 ”   这 种 文 件 ， 所 谓   “ 懂 得 ”   是 指 操 作 系 统 可 以 识 别 、 解 析 、 加 载 ， 因 此 必 定 有 某 种 类 似 协 议 的 规 范 ， 这 样 编 译 器 按 照 这 种 协 议 生 成 可 执 行 文 件 ， 操 作 系 统 就 能 加 载 了 。 在   L i n u x   下 可 执 行 文 件 格 式 为   E L F   ， 在   W i n d o w s   下 是   E X E   。 此 时 虽 然 操 作 系 统 可 以 识 别 可 执 行 程 序 ， 但 如 果 你 不 去 双 击 一 下 但 如 果 你 不 去 双 击 一 下 ( 或 者 在 或 者 在 L i n u x 下 运 行 相 应 命 令 下 运 行 相 应 命 令 ) 的 依 然 和 操 的 依 然 和 操 作 系 统 没 有 半 毛 钱 关 系 。 作 系 统 没 有 半 毛 钱 关 系 。 但 是 当 你 运 行 可 执 行 程 序 时 魔 法 就 出 现 了 。 此 时 操 作 系 统 开 始 将 可 执 行 文 件 加 载 到 内 存 ， 解 析 出 代 码 段 、 数 据 段 等 ， 并 为 这 个 程 序 创 建 运 行 时 需 要 的 堆 区 栈 区 等 内 存 区 域 ， 此 时 这 个 程 序 在 内 存 中 就 是 这 样 了 ： 最 后 ， 根 据 可 执 行 文 件 的 内 容 ， 操 作 系 统 知 道 该 程 序 应 该 执 行 的 第 一 条 机 器 指 令 是 什 么 ， 并 将 其 告 诉   C P U   ， C P U   从 该 程 序 的 第 一 条 指 令 开 始 执 行 ， 程 序 就 这 样 运 行 起 来 了 。 一 个 在 内 存 中 运 行 起 来 的 程 序 显 然 和 保 存 在 磁 盘 上 的 二 进 制 文 件 是 不 一 样 的 ， 总 的 有 个 名 字 吧 ， 根 据 “ 弄 不 懂 原 则 ” ， 这 个 名 字 就 叫 进 程 ， 英 文 名 叫 做 P r o c e s s 。 我 们 把 一 个 运 行 起 来 的 程 序 叫 做 进 程 ， 这 就 是 进 程 的 由 来 我 们 把 一 个 运 行 起 来 的 程 序 叫 做 进 程 ， 这 就 是 进 程 的 由 来 。 此 时 操 作 系 统 开 始 掌 管 进 程 ， 现 在 进 程 已 经 有 了 ， 那 么 操 作 系 统 是 怎 么 管 理 进 程 的 呢 ？
调 度 器 与 进 程 管 理 调 度 器 与 进 程 管 理 银 行 想 必 大 家 都 去 过 ， 实 际 上 如 果 你 仔 细 观 察 的 话 银 行 的 办 事 大 厅 就 能 体 现 出 操 作 系 统 最 核 心 的 进 程 管 理 与 调 度 。 首 先 大 家 去 银 行 都 要 排 队 ， 类 似 的 ， 进 程 在 操 作 系 统 中 也 是 通 过 队 列 来 管 理 的 。 同 时 银 行 还 按 照 客 户 的 重 要 程 度 划 分 了 优 先 级 划 分 了 优 先 级 ， 大 部 分 都 是 普 通 客 户 ； 但 当 你 在 这 家 银 行 存 上 几 个 亿 时 就 能 升 级 为   V I P   客 户 ， 优 先 级 最 高 ， 每 次 去 银 行 都 不 用 排 队 ， 优 先 办 理 你 的 业 务 。 类 似 的 ， 操 作 系 统 也 会 为 进 程 划 分 优 先 级 ， 操 作 系 统 会 根 据 进 程 优 先 级 将 其 放 到 相 应 的 队 列 中 供 调 度 器 调 度 。 这 就 是 操 作 系 统 需 要 实 现 的 最 核 心 功 能 。 现 在 准 备 工 作 已 经 就 绪 。 接 下 来 的 问 题 就 是 操 作 系 统 如 何 确 定 是 否 还 有 进 程 需 要 运 行 。 队 列 判 空 ： 一 个 更 好 的 设 计 队 列 判 空 ： 一 个 更 好 的 设 计 从 上 一 节 我 们 知 道 ， 实 际 上 操 作 系 统 是 用 队 列 来 管 理 进 程 的 ， 那 么 很 显 然 ， 如 果 队 列 已 经 为 空 ， 那 么 说 明 此 时 操 作 系 统 内 部 没 有 进 程 需 要 运 行 ， 这 是   C P U   就 空 闲 下 来 了 ， 此 时 ， 我 们 需 要 做 点 什 么 ， 就 像 这 样 ： 这 些 编 写 内 核 代 码 虽 然 简 单 ， 但 内 核 中 到 处 充 斥 着   i f   这 种 异 常 处 理 的 语 句 ， 这 会 让 代 码 看 起 来 一 团 糟 ， 因 此 因 此 更 好 的 设 计 是 没 有 异 常 更 好 的 设 计 是 没 有 异 常 ， 那 么 怎 样 才 能 没 有 异 常 呢 ？ 很 简 单 ， 那 就 是 让 队 列 永 远 不 会 空 那 就 是 让 队 列 永 远 不 会 空 ， 这 样 调 度 器 永 远 能 从 队 列 中 找 到 一 个 可 供 运 行 的 进 程 。 而 这 也 是 为 什 么 链 表 中 通 常 会 有 哨 兵 节 点 的 原 因 ， 就 是 为 了 避 免 各 种 判 空 ， 这 样 既 容 易 出 错 也 会 让 代 码 一 团 糟 。 i f   ( q u e u e . e m p t y ( ) )   {     d o _ s o m e t i n g ( ) ; }
就 这 样 ， 内 核 设 计 者 创 建 了 一 个 叫 做 空 闲 任 务 的 进 程 内 核 设 计 者 创 建 了 一 个 叫 做 空 闲 任 务 的 进 程 ， 这 个 进 程 就 是 W i n d o w s   下 的 我 们 最 开 始 看 到 的 “ 系 统 空 闲 进 程 ” ， 在   L i n u x   下 就 是 第   0 号 进 程 。 当 其 它 进 程 都 处 于 不 可 运 行 状 态 时 ， 调 度 器 就 从 队 列 中 取 出 空 闲 进 程 运 行 ， 显 然 ， 空 闲 进 程 永 远 处 于 就 绪 状 空 闲 进 程 永 远 处 于 就 绪 状 态 ， 且 优 先 级 最 低 态 ， 且 优 先 级 最 低 。 既 然 我 们 已 经 知 道 了 ， 当 系 统 无 所 事 事 后 开 始 运 行 空 闲 进 程 ， 那 么 这 个 空 闲 进 程 到 底 在 干 嘛 呢 ？ 这 就 需 要 硬 件 来 帮 忙 了 。 一 切 都 要 归 结 到 硬 件 一 切 都 要 归 结 到 硬 件 在 计 算 机 系 统 中 ， 一 切 最 终 都 要 靠 一 切 最 终 都 要 靠   C P U   来 驱 动 来 驱 动 ， C P U   才 是 那 个 真 正 干 活 的 。 原 来 ， C P U   设 计 者 早 就 考 虑 到 系 统 会 存 在 空 闲 的 可 能 ， 因 此 设 计 了 一 条 机 器 指 令 ， 这 个 机 器 指 令 就 是   h a l t   指 令 ， 停 止 的 意 思 。 这 条 指 令 会 让 部 分 C P U 进 入 休 眠 状 态 ， 从 而 极 大 减 少 对 电 力 的 消 耗 极 大 减 少 对 电 力 的 消 耗 ， 通 常 这 条 指 令 也 被 放 到 循 环 中 执 行 ， 原 因 也 很 简 单 ， 就 是 要 维 持 这 种 休 眠 状 态 。 值 得 注 意 的 是 ， h a l t   指 令 是 特 权 指 令 ， 也 就 是 说 只 有 在 内 核 态 下   C P U   才 可 以 执 行 这 条 指 令 ， 程 序 员 写 的 应 用 都 运 行 在 用 户 态 ， 因 此 你 没 有 办 法 在 用 户 态 让   C P U   去 执 行 这 条 指 令 。 此 外 ， 不 要 把 进 程 挂 起 和   h a l t   指 令 混 淆 ， 当 我 们 调 用   s l e e p   之 类 函 数 时 ， 暂 停 运 行 的 只 是 进 程 ， 此 时 如 果 还 有 其 它 进 程 可 以 运 行 那 么   C P U   是 不 会 空 闲 下 来 的 ， 当   C P U   开 始 执 行 h a l t 指 令 时 就 意 味 着 系 统 中 所 有 进 程 都 已 经 暂 停 运 行 。 软 件 硬 件 结 合 软 件 硬 件 结 合 现 在 我 们 有 了   h a l t   机 器 指 令 ， 同 时 有 一 个 循 环 来 不 停 的 执 行   h a l t   指 令 ， 这 样 空 闲 任 务 进 程 的 实 际 上 就 已 经 实 现 了 ， 其 本 质 上 就 是 这 个 不 断 执 行   h a l t   指 令 的 循 环 ， 大 功 告 成 。
这 样 ， 当 调 度 器 在 没 有 其 它 进 程 可 供 调 度 时 就 开 始 运 行 空 间 进 程 ， 也 就 是 在 循 环 中 不 断 的 执 行   h a l t   指 令 ， 此 时   C P U   开 始 进 入 低 功 耗 状 态 。 在   L i n u x   内 核 中 ， 这 段 代 码 是 这 样 写 的 ： 其 中   c p u i d l e _ i d l e _ c a l l 函 数 最 终 会 执 行   h a l t   指 令 ， 注 意 ， 这 里 删 掉 了 很 多 细 节 ， 只 保 留 最 核 心 代 码 ， 这 里 删 掉 了 很 多 细 节 ， 只 保 留 最 核 心 代 码 ， 实 际 上   L i n u x   内 核 在 实 现 空 闲 进 程 时 还 要 考 虑 很 多 很 多 ， 不 同 类 型 的   C P U   可 能 会 有 深 睡 眠 浅 睡 眠 之 类 ， 操 作 系 统 必 须 要 预 测 出 系 统 可 能 的 空 闲 时 长 并 以 此 判 断 要 进 入 哪 种 休 眠 等 等 ， 但 这 并 不 是 我 们 关 注 的 重 点 。 总 的 来 说 ， 这 就 是 计 算 机 系 统 空 闲 时   C P U   在 干 嘛 ， 就 是 在 执 行 这 一 段 代 码 ， 本 质 上 就 是   C P U   在 执 行   h a l t   指 令 。 实 际 上 ， 对 于 个 人 计 算 机 来 说 ， h a l t   可 能 是   C P U   执 行 最 多 的 一 条 指 令 ， 全 世 界 的 全 世 界 的   C P U   大 部 分 时 间 都 用 在 大 部 分 时 间 都 用 在 这 条 指 令 上 了 这 条 指 令 上 了 ， 是 不 是 很 奇 怪 。 更 奇 怪 的 来 了 ， 有 的 同 学 可 能 已 经 注 意 到 了 ， 上 面 的 循 环 可 以 是 一 个 w h i l e ( 1 )   死 循 环 ， 而 且 这 个 循 环 里 没 有 b r e a k 语 句 ， 也 没 有 r e t u r n ， 那 么 操 作 系 统 是 怎 样 跳 出 这 个 循 环 的 呢 操 作 系 统 是 怎 样 跳 出 这 个 循 环 的 呢 ？ 关 于 这 个 问 题 ， 我 们 将 会 在 后 续 文 章 中 讲 解 。 总 结 总 结 C P U   空 闲 时 执 行 特 定 的   h a l t   指 令 ， 这 看 上 去 是 一 个 很 简 单 的 问 题 ， 但 实 际 上 由 于   h a l t   是 特 权 指 令 ， 只 有 操 作 系 统 才 可 以 去 执 行 ， 因 此   C P U   空 闲 时 执 行   h a l t   指 令 就 变 成 了 软 件 和 硬 件 相 结 合 的 问 题 。 操 作 系 统 必 须 判 断 什 么 情 况 下 系 统 是 空 闲 的 ， 这 涉 及 到 进 程 管 理 和 进 程 调 度 ， 同 时 ， h a l t   指 令 其 实 是 放 到 了 一 个   w h i l e   死 循 环 中 ， 操 作 系 统 必 须 有 办 法 能 跳 出 循 环 ， 所 以 ， C P U   空 闲 时 执 行   h a l t   指 令 并 没 有 看 上 去 那 么 简 单 。 希 望 这 篇 文 章 对 大 家 理 解   C P U   和 操 作 系 统 有 所 帮 助 。 w h i l e   ( 1 )   {     w h i l e ( ! n e e d _ r e s c h e d ( ) )   {             c p u i d l e _ i d l e _ c a l l ( ) ;     } }
参 考 资 料 参 考 资 料 1 .   什 么 是 程 序 ？ 什 么 是 程 序 ？ 2 .   进 程 调 度 器 是 如 何 实 现 的 ？ 进 程 调 度 器 是 如 何 实 现 的 ？ 3 .   程 序 员 应 如 何 理 解 程 序 员 应 如 何 理 解   C P U   ？ ？ 4 .   看 完 这 篇 还 不 懂 线 程 与 线 程 池 你 来 打 我 看 完 这 篇 还 不 懂 线 程 与 线 程 池 你 来 打 我 推 荐 推 荐 ↓ ↓ ↓ 运 维 运 维
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