#科普#CPU空閑時都在做什么呢？System Idle Process？
操作系統(tǒng)行為的基本原理是，在任何一個特定時刻，在一個 CPU （核心）上有且只有一個任務(wù)是活動的。除了當(dāng)前正在占用的程序，99.9999%的程序都處于中斷或休眠狀態(tài)。對于幾乎所有人來說，幾乎100%的CPU時間都是空閑的。那么，如果 CPU 無事可做的時候，又會是什么樣的呢？
吾輩的小站原文：http://www.shiiko.cn/2018/04/notes/system-idle-process/
關(guān)于以及一些碎碎念：http://www.shiiko.cn/about/
不難想到，既然CPU閑著，那不如讓他找點(diǎn)事情做唄！于是就有了第一種想法：
讓CPU持續(xù)很長時間去遍歷內(nèi)核，檢查是否有一個活動任務(wù)需要它，有的話就去做。
這是很多人第一想到的思路，CPU沒事情的話就讓他自己找點(diǎn)事情做。可惜這并不是一個明智的選擇，這樣帶來的是CPU時間的高消耗，連內(nèi)存/硬盤都難逃一劫。既然說“給操作系統(tǒng)寫內(nèi)核的人都是天才”，那么他們貢獻(xiàn)了沿用至今的一種很巧妙的方法：Cpu Idle Loop。
Cpu Idle Loop
有沒有注意到任務(wù)管理器中總有一個叫做System Idle Process的進(jìn)程使用著幾乎全部的CPU資源？
為了保證CPU能在我們需要它的時候被喚醒，又要讓他閑置的時候有事情做，不能徹底關(guān)閉掉；再加上又要讓CPU的功耗在閑置時降低...于是，操作系統(tǒng)開發(fā)者創(chuàng)建了一個空閑任務(wù)，當(dāng)沒有其它任務(wù)可做時就調(diào)度它去運(yùn)行。在 Linux 中，這個空閑任務(wù)就是進(jìn)程 0，它是由計算機(jī)打開電源時運(yùn)行的第一個指令直接派生出來的。對于Windows來說，它就是System Idle Process。
通過一段簡化過的Linux內(nèi)核代碼來了解一下這個Loop到底是如何運(yùn)行的。
while (1) {
while(!need_resched()) {? ?//當(dāng)不需要重新安排給CPU安排任務(wù)的時候。
cpuidle_idle_call();? ? ? ? ? ? //執(zhí)行CPU空閑進(jìn)程，通俗的就是讓CPU去休息。
}/*
//將CPU重新分配給其他需要它的進(jìn)程
*/
schedule_preempt_disabled();
}
對于Intel處理器來說，空閑狀態(tài)意味著運(yùn)行下面的指令。
static inline void native_halt(void)
{
asm volatile("hlt": : :"memory");
}
現(xiàn)在，我們已經(jīng)告訴 CPU 去?halt（睡眠）了，我們還需要以某種方式讓它醒來以便執(zhí)行其他任務(wù)，不要就這樣睡死過去。天才們創(chuàng)建了很多喚醒它的巧妙方法——中斷。
中斷操作
返回去看到上面的源代碼：while(!need_resched()) 。當(dāng)不需要重新為CPU安排時間的時候做的事情。
“中斷”會讓你的CPU知道它現(xiàn)在需要分配到其他任務(wù)了（need_resched返回true的時候）。什么是中斷？比如當(dāng)你的鼠標(biāo)點(diǎn)擊了一下，因?yàn)樗a(chǎn)生了一個新的輸入鼠標(biāo)的驅(qū)動程序就會做出響應(yīng)，告訴CPU進(jìn)程就可運(yùn)行了。在那個時刻， need_resched() 返回 true，然后空閑任務(wù)（cpuidle_idle_call();）因你的這次點(diǎn)擊而被踢出而終止運(yùn)行。
計時器中斷
那如果我就是不點(diǎn)擊，不輸入，那我的電腦為什么也沒有睡死過去呢？在這個示例中，由內(nèi)核計劃的定時器中斷會每 4 毫秒發(fā)生一次，也就是說不管什么情況，每隔4ms打斷一次CPU的工作，重新給他安排一次工作。這就是滴答tick周期。
如圖所示，也就是說每秒鐘將有 250 個滴答，因此，這個滴答速率（頻率）是 250 Hz。這是運(yùn)行在 Intel 處理器上的 Linux 的典型值，而其它操作系統(tǒng)喜歡使用 100 Hz。
對于一個空閑 CPU 來說，它看起來似乎是個無意義的工作。如果外部世界沒有新的輸入，在你的筆記本電腦的電池耗盡之前，CPU 將始終處于這種每秒鐘被喚醒 250 次的地獄般折磨的小憩中。但是這讓CPU降低到了非常低的工作頻率，同時也降低到了非常低的功耗，而且讓CPU在任何需要它的時候都不會宕機(jī)。
最新的空閑策略
假如你有一個進(jìn)程要進(jìn)行超長的操作，然后你的內(nèi)核每4ms打斷一次CPU，再讓他繼續(xù)去做原來的工作，那這也太糟糕了。最新的解決方法是動態(tài)滴答和自適應(yīng)滴答。
