OSTEP学习笔记-Virtualization
Process
进程是由 内存中地址空间的内容、CPU寄存器中的内容（PC、栈指针等）和I/O信息（打开的文件）等组成
Machine state有三种：running ready blocked
OS中的数据结构：Process List
Process API
Direct Execution
为了虚拟化CPU，想到的解决方法首先是通过time sharing，即每个进程运行一段时间。
出现的两个难题：
- 性能：如何在不增加系统过多的开销的情况下实现虚拟化
- 控制：如何在高效运行进程的同时保有对CPU的控制
Limited Direct Execution
Direct Execution的意思就是让进程的指令直接在CPU上运行，这样的解决方案是最简单的，但是这样会出现的问题是：OS无法得知程序是否做了某些我们不想让他做的（因为拥有所有权限）、如何进行time sharing。
Problem 1: 限制操作
尽管直接在CPU上运行很快，但是由于进程拥有所有权限，导致它们可能会做一些我们不想进程做的事（如随意访问计算机资源），所以一种办法就是限制操作。所以解决方案就是使用两种模式：kernel mode & user mode 。
一般的指令都在user mode下执行，当需要system call时，进程会通过trap指令陷入kernel mode。 在这个过程中，硬件需要确保保存所有的 caller‘s register（调用者寄存器）。（在x86中，会将这些都压入kernel stack中）
OS在boot阶段将安装好trap table，所以当发生trap时，通过system-call number就能正确跳转到system-call。
LDE protocol有两个阶段
- boot阶段，内核初始化trap table，这时CPU会记住他们的位置为了后面的使用
- running阶段，当一个进程运行时，内核会在调用return-from-trap之前设置一些东西（分配在process list上的节点，分配内存）以便可以使进程开始运行。
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Problem 2: 进程间切换
第二个问题是进程间如何切换，我最开始也觉得这是个很简单的事，毕竟有os调度，但书中提到了，OS也是个软件，本身也是需要time sharing的（不禁让我感觉开始套娃）。所以是怎么解决的呢？
在早期，一些developer的方法是cooperative approach，这种方法是当进程调用system call时，将控制权返还给os，但是其中的问题是，假如某个恶意程序（或bug）写了一个无限循环，并且在其中不写入system call，那这个程序将永远抢占CPU资源，导致死机，只能reboot了。
另一种方法就是Non-Cooperative approach。简单来说就是使用
TIMER，每次timer到时了，就会发出interrupt（中断发生时，系统会屏蔽timer的signal），将control返回给OS。得到控制后的问题就是保存和恢复上下文（也就是上下文切换，context switch）。当需要进行上下文切换时，OS会调用switch routine，os会保存好正在运行的这个进程的process information，然后恢复将要运行的这个进程的process information。在context switch中，会发生两次save&restore，第一次是当timer中断发生时，硬件会隐式的保存正在运行的进程的user registers。第二次是当OS决定进行上下文切换时，kernel registers会被显式的由软件（也就是OS）保存在该进程的进程结构中。如下图
TBD…
资料
[1]: http://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/