CPU与进程的执行
前置知识
寄存器（register）
CPU 芯片内部自带的一排”随身小抽屉”——数量极少（十几个）、速度极快的存储格。CPU 做任何运算，数据都得先搬进寄存器才能动手。寄存器快到什么程度？访问一次寄存器约 1 个时钟周期，而访问内存要 100 多个周期，差了两个数量级。
程序计数器 PC（Program Counter）
一个专门记”下一条要执行的指令在哪”的寄存器。它永远指向”接下来该执行哪条指令的地址”，CPU 每取完一条指令，PC 就自动往前挪，指向下一条。没有它，CPU 就不知道该干到哪了。
指令寄存器 IR（Instruction Register）
CPU 从内存里刚取出来的那条指令，先临时放在这里，等译码器来读它。
时钟周期 / 主频（clock / frequency）
CPU 内部有一个”节拍器”（时钟），每敲一下，就推动芯片各部件往前走一步。这个节拍的频率就是主频，单位 Hz（赫兹）。3.5 GHz 就是每秒敲 35 亿下。所有部件都靠这个统一节拍协同工作。
缓存（cache）
CPU 和内存之间的一层”中转加速器”，因为内存太慢，CPU 等不起。缓存把”最近/最可能用到的数据”提前搬到离 CPU 更近、更快的地方。它分三级：
- L1：最快、最小（32~64KB），还分成”指令缓存”和”数据缓存”两半；
- L2：次快（256KB~1MB）；
- L3：最大（几 MB~几十 MB），多个核心共享。
局部性原理（locality）——缓存为什么有用的根因
缓存不是瞎存的，它赌的是局部性这条规律：程序倾向于反复访问同一小片数据/指令。分两种：
- 时间局部性：刚用过的，很快还会再用（循环里那条指令被执行一万遍）；
- 空间局部性：用到一个地址，它旁边的也快被用了（遍历数组，读完 a[0] 读 a[1]）。
统计上”程序 90% 时间跑在 10% 的代码上”。所以缓存命中率能到 95% 以上。
进程（process）
程序是磁盘上那个静态文件；进程是程序被跑起来的那一次执行，是活的、动态的。同一个程序跑两次，就是两个进程。
进程状态（三态 / 五态）
进程在生命周期里会在几个状态之间跳来跳去，最基本的三个：
- 就绪态：万事俱备，只等 CPU（在排队）；
- 运行态：正占着 CPU 干活；
- 阻塞态：干不下去，在等某件事（比如等键盘输入、等磁盘读完），把 CPU 让给别人。
还有两个补充状态（凑成五态）：新建态（刚创建、还没就绪）、终止态（执行完毕）。
上下文切换（context switch）
CPU 只有一个，进程有几十上百个，怎么做到”看起来都在同时跑”？靠快速轮流。每次从进程 A 换到进程 B，得先把 A 的”现场”保存下来（它的寄存器值、PC 值、栈指针……），再把 B 的现场恢复出来。这个”保存 A 现场 + 恢复 B 现场”的动作，就叫上下文切换。”上下文”就是”一个进程跑到现在这一刻的全部状态”。
时间片（time slice）
“轮流跑”的节奏单位。操作系统给每个进程一小段固定的 CPU 时间（比如几毫秒到几十毫秒），用完了就强制换下一个。这一小段就是时间片。
调度（scheduling）与调度器（scheduler）
操作系统里专门负责”决定下一个让谁上 CPU“的模块，叫调度器；它做决定这件事叫调度。怎么选、按什么规则选，就是调度算法。
系统调用 / 内核态与用户态
- 用户态：普通程序运行时处于的”受限模式”，只能碰自己的内存，很多危险操作（直接操作硬件）不让做。
- 内核态：操作系统的核心代码运行时的”特权模式”，什么都能干。
- 系统调用：程序从用户态”请求”进入内核态去办大事的合法入口（比如读写文件、创建进程）。
CPU怎么执行指令
指令周期
取指（Fetch）
CPU 看 PC 指到哪，去那里把下一条指令从内存（实际大多从缓存）读出来，放进 IR；同时 PC 自动加一，指向下一条。
译码（Decode）
译码器读 IR 里的二进制指令，搞清楚”这条是要干嘛？用什么数据？结果放哪？”。机器码是一串人看不懂的 0/1，这一步把它翻译成”行动指令”。
执行（Execute）
真正动手——算术逻辑单元（ALU）做加减乘除、逻辑运算，或者算出一个内存地址。
访存（Memory Access）
如果这条指令要读写内存（比如”把某地址的值取来”），就在这一步去访问内存。
写回（Write Back）
把结果存回寄存器或内存，并更新一些”状态标志”（比如结果是正、是零、还是溢出）。
然后 PC 已经指向下一条，回到 ① 循环，每秒重复几十亿次。
为什么处理的快
流水线
把指令周期拆成好几个阶段，像工厂流水线——第 1 条在执行时，第 2 条在译码、第 3 条在取指，同时进行。
超标量
干脆开多条流水线，一个周期同时发射好几条指令。
乱序执行
有些指令互相依赖（要等结果），有些独立。CPU 会跳过正在等待的指令，先执行后面不依赖它的指令，最后再把结果按正确顺序”归位”。
分支预测
遇到 if、循环这种”要跳转”的指令，CPU 得猜”跳还是不跳”，提前把猜的那条路取进来。猜对了省时间，猜错了就”清空流水线”重来。
进程怎么被“轮流”执行
进程状态机：在三个态之间跳
看它活着时的状态变化。把三态串成一张状态机：
- 就绪 → 运行：调度器选中它，给它 CPU（被动）；
- 运行 → 就绪：时间片用完了，或被更高优先级进程抢了 CPU（被动让出）；
- 运行 → 阻塞：自己主动等 I/O、等锁，把 CPU 让出来（主动让出）；
- 阻塞 → 就绪：等的资源到了，被操作系统唤醒，重新排队（被动）。
关键要记住一个区别：“运行→就绪”是被抢走的（被动），”运行→阻塞”是自己让出来的（主动）。
上下文切换：为什么能”同时跑很多程序”
CPU 就一个（先不考虑多核），几十个进程却像同时在跑，本质就是高频地切换 + 每个进程切一小片。
切换时要做的事：
- 保存当前进程的”现场”：所有寄存器值、PC（执行到哪了）、栈指针等；
- 恢复下一个进程之前保存的”现场”；
- 让 CPU 从下一个进程上次停的地方接着跑。
每个进程都以为自己”独占 CPU、连续地跑”，其实是被切成无数小片轮着跑的。
为什么切换有成本：切换本身不免费。要花时间保存/恢复寄存器、PC、内核栈；更贵的是进程级切换要换页表，导致 TLB（一种地址翻译的缓存）失效、缓存命中率下降。所以时间片不能切太小，否则光切换的开销就吃掉大半 CPU。这就是”时间片大小的权衡”：太大 → 响应慢（一个程序霸着 CPU）；太小 → 切换开销爆炸。
调度算法家族
调度器怎么选”下一个让谁上”？常见的五种：
- 先来先服务 FCFS：谁先来谁先上，简单公平，但短任务会被前面长任务堵很久；
- 短作业优先 SJF：谁短先做谁，平均等待最短，但长任务可能一直饿死（饥饿）；
- 优先级调度：按优先级，高的先跑；低优先级可能饿死（可用”老化”补救——等越久优先级越高）；
- 时间片轮转 RR：排成队，每人轮一小片，兼顾公平和响应，适合分时系统；
- 多级反馈队列 MLFQ：综合方案，多个优先级队列，兼顾交互响应和吞吐，是主流 OS 的思路（Linux 的 CFS 调度器就是在”按虚拟运行时间公平调度”上做的实现）。
像食堂窗口——FCFS 是”老实排队”；SJF 是”谁吃得快谁先来”；优先级是”VIP 插队”；RR 是”每人限时 5 分钟”；MLFQ 是”新来的先给一小段试试，表现好的往上提”。
这节工具
1. lscpu——看 CPU 的”身份证”
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输出你的 CPU 架构（x86-64 还是 ARM）、核心数、线程数、缓存大小（L1/L2/L3）、主频。这节讲的”架构、寄存器位数、缓存”全都能在这条命令里对上号。
2. top——实时看进程”抢 CPU”
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实时显示每个进程的 CPU 占用率、内存占用、状态（R=运行、S=睡眠/阻塞）。这节讲的”调度、时间片、进程状态”在这里是活的——可以看到 CPU 占用率在进程之间不停地跳。
3. gdb 的 info registers——看寄存器现场
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打印所有寄存器的当前值（RAX、RBX、RSP、RBP、RIP……）。这节讲的”寄存器、PC、上下文”在这里能看到——RIP 就是那个”程序计数器”，info registers 时它指向的就是下一条要执行的指令地址。