第6章 机制：受限直接执行 (LDE)
为了虚拟化CPU，操作系统需要以某种方式让许多任务共享物理CPU，让它们看起来像是同时运行。基本思想很简单：运行一个进程一段时间，然后运行另一个进程，如此轮换。通过以这种方式时分共享 (time sharing) CPU，就实现了虚拟化。
然而，在构建这样的虚拟化机制时存在一些挑战。第一个是性能；第二个是控制权（尤为重要）。
6.1 基本技巧：受限直接执行
为了使程序尽可能快地运行，操作系统开发人员想出了一种技术——受限的直接执行(limited direct execution)
6.2 问题1：受限制的操作
直接执行的明显优势是快速。
问题：如果进程希望执行某种受限操作该怎么办？
提示：采用受保护的控制权转移
解决：用户模式 / 内核模式
用户模式：在用户模式下，进程不能发出I/O请求
内核模式：运行的代码可以做它喜欢的事，包括特权操作，如发出I/O请求和执行所有类型的受限指令。
新问题：如果用户希望执行某种特权操作（如从磁盘读取），应该怎么做？
解决：几乎所有的现代硬件都提供了用户程序执行系统调用的能力。要执行系统调用，程序必须执行特殊的陷阱指令。该指令同时跳入内核并将特权级别提升到内核模式。
新新问题：陷阱如何知道在OS内运行哪些代码？
解决：内核通过在启动时设置陷阱表来实现。
6.3 问题2：在进程之间切换
直接执行的下一个问题是进程之间的切换。
关键问题：操作系统如何重新获得CPU的控制权，以便它可以在进程之间切换？
过去某些系统采用的一种方式称为协作方式，在这种风格下，操作系统相信系统的进程会合理运行。运行时间过长的进程被假定会定期放弃CPU，以便操作系统可以决定运行其他任务。
然而事实证明，没有硬件的额外帮助，如果进程拒绝进行系统调用，因此不将控制权交还给操作系统，那么操作系统无法做任何事情。
解决：利用时钟中断重新获得控制权。
操作系统重获控制权后，必须决定，是继续运行当前进程还是切换到另一个进程，而这由操作系统的一部分——调度程序做出的。
若决定切换，OS就会执行一些底层代码，即所谓的上下文切换 (context switch) 。
上下文切换：操作系统为当前正在执行的进程保存一些寄存器的值（如到它的内核栈），并为即将执行的进程恢复一些寄存器的值（从它的内核栈）。
6.4 担心并发吗
现代操作系统上下文切换只需亚微秒级时间。
操作系统可能简单决定在中断处理期间禁止中断。
操作系统还开发了许多复杂的加锁方案，以保护对内部数据结构的并发访问。
6.5 小结
实现CPU虚拟化的关键底层机制，并将其统称为受限直接执行
其基本思路：就让你想运行的程序在CPU上运行，但首先确保设置好硬件，以便在没有操作系统帮助的情况下限制进程可以执行的操作。
“开启掘金成长之旅！这是我参与「掘金日新计划 · 2 月更文挑战」的第 20 天，点击查看活动详情”
