原文：chapter 8 multitasking
譯者：飛龍
協議：cc by-nc-sa 4.0
在當前的許多系統上，cpu包含多個核心，也就是說它可以同時執行多個程序。而且，每個核心都具有「多工」的能力，也就是說它可以從乙個程序快速切換到另乙個程序，創造出同時執行許多程序的幻象。
作業系統中，實現多工的這部分叫做「核心」。在堅果或者種子中，核心是最內層的部分，由外殼所包圍。在作業系統各種，核心是軟體的最底層，由一些其它層包圍，包括稱為「shell」的介面。計算機科學家喜歡引喻。
究其本質，核心的工作就是處理中斷。「中斷」是乙個事件，它會停止通常的指令週期，並且使執行流跳到稱為「中斷處理器」的特殊**區域內。
當乙個裝置向cpu傳送訊號時，會發生硬體中斷。例如，網路裝置可能在資料報到達時會產生中斷，或者磁碟驅動器會在資料傳送完成時產生中斷。多數系統也帶有以固定週期產生中斷的計時器。
軟體中斷由執行中的程式所產生。例如，如果一條指令由於某種原因沒有完成，可能就會觸發中斷，便於這種情況可被作業系統處理。一些浮點數的錯誤，例如除零錯誤，會由中斷處理。
當程式需要訪問硬體裝置時，會進行「系統呼叫」，它就像函式呼叫，除了並非跳到函式的起始位置，而是執行一條特殊的指令來觸發中斷，使執行流跳到核心中。核心讀取系統呼叫的引數，執行所請求的操作，之後使被中斷程序恢復執行。
中斷的處理需要硬體和軟體的配合。當中斷發生時，cpu上可能正在執行多條指令，暫存器中也儲存著資料。
通常硬體負責將cpu設為一致狀態。例如，每條指令應該執行完畢，或者完全沒有執行，不應該出現執行到一半的指令。而且，硬體也負責儲存程式計數器（pc），便於核心了解從**恢復執行。
之後，中斷處理器通常負責儲存暫存器的上下文。為了完成工作，核心需要執行指令，這會修改資料暫存器和位暫存器。所以這個「硬體狀態」需要在修改之前儲存，並在被中斷的程序恢復執行後復原。
下面是這一系列事件的大致過程：
當中斷發生時，硬體將程式計數器儲存到乙個特殊的暫存器中，並且跳到合適的中斷處理器。
中斷處理器將程式計數器和位暫存器，以及任何打算使用的資料暫存器的內容儲存到記憶體中。
中斷處理器執行處理中斷所需的**。
之後它復原所儲存暫存器的內容。最後，復原被中斷程序的程式計數器，這會跳回到被中斷的程序。
如果這一機制正常工作，被中斷程序通常沒有辦法知道這是乙個中斷，除非它檢測到了指令間的小變化。
中斷處理器非常快，因為它們不需要儲存整個硬體狀態。它們只需要儲存打算使用的暫存器。
但是當中斷發生時，核心並不總會恢復被中斷的程序。它可以選擇切換到其它程序，這種機制叫做「上下文切換」。
通常，核心並不知道乙個程序會用到哪個暫存器，所以需要全部儲存。而且，當它切換到新的程序時，它可能需要清除儲存在記憶體管理單元（mmu）中的資料。以及在上下文切換之後，它可能要花費一些時間，為新的程序將資料載入到快取中。 出於這些因素，上下文切換相對較慢，大約是幾千個週期或幾毫秒。
在多工的系統中，每個程序都允許執行一小段時間，叫做「時間片」或「quantum」。在上下文切換的過程中，核心會設定一些硬體計數器，它們會在時間片的末尾產生中斷。當中斷發生時，核心可以切換到另乙個程序，或者允許被中斷的程序繼續執行。作業系統中做決策的這一部分叫做「排程器」。
當程序被建立時，作業系統會為程序分配包含程序資訊的資料結構，稱為「程序控制塊」（pcb）。在其它方面，pcb跟蹤程序的狀態，這包括：
下面是一些可導致程序狀態轉換的事件：
就像我們在2.3節中看到的那樣，一台計算機上可能執行著成百上千條程序，但是通常大多數程序都是阻塞的。大多數情況下，只有一小部分程序是就緒或者執行的。當中斷發生時，排程器會決定那個程序應啟動或恢復。
在工作站或筆記本上，排程器的首要目標就是最小化響應時間，也就是說，計算機應該快速響應使用者的操作。響應時間在伺服器上也很重要，但是排程器同時也可能嘗試最大化吞吐量，它是單位時間內所完成的請求。
排程器通常不需要關於程序所做事情的大量資訊，所以它基於一些啟發來做決策：
大多數排程器使用一些基於優先順序的排程形式，其中每個程序都有可以調上或調下的優先順序。當排程器執行時，它會選擇最高優先順序的就緒程序。
下面是決定程序優先順序的一些因素：
對於執行普通工作負載的多數系統，排程演算法對效能並沒有顯著的影響。簡單的排程策略就足夠好了。
但是，對於與真實世界互動的程式，排程非常重要。例如，從感測器和控制馬達讀取資料的程式，可能需要以最小的頻率完成重複的任務，並且以最大的響應時間對外界事件做出反應。這些需求通常表述為必須在「截止期限」之前完成的「任務」。
排程滿足截止期限的任務叫做「實時排程」。對於一些應用，類似於linux的通用作業系統可以被修改來處理實時排程。這些修改可能包括：
對於更苛刻的應用，尤其是實時響應是生死攸關的領域，「實時作業系統」提供了專用能力，通常比通用作業系統擁有更簡單的設計。
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