CPU虚拟化的目标是通过时分共享（Time-Sharing）模拟多个CPU的环境，其核心在于进程的调度和执行，使得每个应用程序都运行在抽象的CPU上。

1.1 进程抽象

进程（Process）是正在运行的程序，操作系统通过进程控制块（Process Control Block, PCB）来管理进程的状态和资源使用信息。进程的关键属性包括：

  • PID（Process Identifier）：唯一标识进程的数字。
  • 状态（State）：进程的当前状态，如就绪、运行、阻塞等。
  • 地址空间（Address Space）：进程可访问的内存范围。
  • 硬件状态（Hardware State）：包括寄存器、程序计数器等CPU硬件信息。

进程的创建和销毁依赖于系统API（Application Programming Interface），例如：

  • fork()：创建一个子进程，复制父进程的地址空间。
  • wait()：使父进程等待子进程结束并获取其退出状态。
  • exec()：用新程序替换当前进程的地址空间。
  • kill()：向进程发送信号。

1.2 进程执行模型

直接执行（Direct Execution）

进程可以直接在硬件上运行，操作系统作为库（Library OS）提供所需服务。这种模型缺乏监控，导致潜在的安全和效率问题，通常适用于互信环境。

更详细的说，直接执行方式下，操作系统不干涉进程的执行流程，进程的所有指令都直接在硬件上执行。这种方法的优点在于执行速度快，但缺点是缺乏对进程行为的控制，可能导致资源争用和系统崩溃。

受限直接执行（Limited Direct Execution）

操作系统使用事件处理模型（Event Handling Model）来确保进程的安全执行：

  • 拥有内核模式（Kernel Mode）和用户模式（User Mode），以此限制进程执行特权指令。
  • 采用抢占式多任务（Preemptive Multitasking），通过时钟中断（Timer Interrupt）强制CPU控制权的返回。

这种机制通过上下文切换（Context Switching）来管理内核与用户模式的转换，确保每个进程能正确恢复执行。

更详细的说，受限直接执行要求操作系统监控并限制进程的权限。特权指令只能在内核模式下执行，而普通指令则在用户模式下执行。时钟中断确保操作系统可以在必要时打断进程，进行调度或处理其他事件。

1.3 进程调度

进程调度（Process Scheduling）是通过上下文切换选择新进程运行的一项任务，调度的关键是优化周转时间（Turnaround Time）和响应时间（Response Time）。

进程调度策略

  • FIFO（First In, First Out）：先到先得的调度策略，简单但可能导致长时间的等待。
  • SJF（Shortest Job First）：优先执行最短的任务，优化平均周转时间，但可能导致长任务饥饿。
  • STCF（Shortest Time-to-Completion First）：优先执行剩余时间最短的任务，类似于SJF，但更适合抢占式调度。
  • Round Robin（RR）：时间片轮转调度，为每个任务分配固定时间片，确保公平性。
  • MLFQ（Multilevel Feedback Queue）：多级反馈队列，不需要任务执行时间的先验知识，通过多队列系统降低响应和周转时间。
  • Lottery Scheduling：彩票调度，通过随机选择进程分配CPU时间，确保每个任务都有执行的机会。
  • Stride Scheduling：步调调度，给每个进程分配一个步调值，通过步调值决定进程执行的优先级。
  • CFS（Completely Fair Scheduler）：完全公平调度器，按照进程权重分配使用时间，反映在虚拟运行时间（vruntime）上，以保持平等分配。

MLFQ策略

多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue, MLFQ）不需要任务执行时间的先验知识，通过多队列系统降低响应和周转时间。任务初始进入高优先级队列，并结合轮转算法（Round Robin）调度。随着时间的推移，若任务未完成，则逐渐降低其优先级。此外，MLFQ定期重置优先级，以防止任务长期处于低优先级队列中。MLFQ已被Windows等操作系统采用。

更详细的说，MLFQ通过动态调整任务优先级，实现了对不同性质任务的有效调度。高优先级任务能够迅速得到处理，而长时间占用CPU的任务则会逐渐降低优先级，从而减少对其他任务的影响。

CFS策略

完全公平调度器（Completely Fair Scheduler, CFS）按照进程权重（Weight）分配使用时间，反映在虚拟运行时间（Virtual Runtime, vruntime）上，以保持平等分配。当前被Linux系统广泛应用。

CFS在调度周期内公平分配进程资源，通过nice值影响优先级，使调度更加灵活，是Linux的主流调度策略。这种策略通过红黑树（Red-Black Tree）管理调度进程，保证操作效率（复杂度为O(logN)）。

更详细的说，CFS使用vruntime来衡量进程的实际执行时间，并根据权重调整进程的调度优先级。红黑树的数据结构使得CFS能够快速找到下一个需要调度的进程，确保系统在高负载下仍然保持高效。

总结

CPU虚拟化通过进程调度和执行模型的抽象，使得每个进程都能独立运行在虚拟化的CPU上。直接执行和受限直接执行模型分别代表了两种不同的执行方式，操作系统通过各种调度策略优化系统资源的使用，确保系统的公平性和高效性。MLFQ和CFS是现代操作系统中常用的调度策略，各自具有不同的优势，广泛应用于不同的操作系统中。