假设一个计算机只有一个CPU，他们都在独自占用CPU

假设一台计算机只有一个CPU（现代计算机更多），但是同时有多个进程，虚拟化需要做的就是把这个CPU虚拟成多个CPU，分配给每个进程，这样在眼里每一个进程，都是独占CPU，实际上只有一个CPU。

首先让我们谈谈分时 CPU 技术，允许资源在短时间内由一个实体使用，然后由另一个实体在短时间内使用，依此类推。这里的资源可以是CPU、网络链接等，有时间当然有空间，所以也有空间共享。相信这个时候大家都能理解这个概念了。比如磁盘，一旦一个块被分配给一个文件，在文件被删除之前是不可能分配给其他人的。

实现分时有很多挑战，首先是性能（这在任何时候都非常重要）：如何在不增加系统开销的情况下实现虚拟化。另一个问题是控制：在运行程序时，您保留对 CUP 的访问权限。操作系统需要掌握CPU的控制权cpu虚拟化技术名词解释，在运行程序时，不能让程序乱用CPU，也不能随意访问未经许可的文件。总而言之，在保持控制的同时获得高性能是最大的挑战。

接下来我们主要讲一下“受限直接执行”的机制。说白了，虽然程序直接在 CPU 上运行，但还是有限制的。这里不得不提一个处理器模式：“用户模式”和“内核模式”，在用户模式下运行的代码会受到限制，例如在用户模式下不能发出I/O请求。内核模式相当于非常大的权限，运行的代码可以为所欲为，操作系统（或内核）运行在子模式。所以我们的程序都是在用户模式下运行的。当程序有I/O请求时，如何解决？

为了实现这一点，现代硬件为用户程序提供了执行系统调用的能力。允许内核小心地将某些关键功能暴露给用户程序，例如访问文件、创建进程等。在执行系统调用时，程序必须执行特殊的陷阱指令。在进入内核模式时执行该指令，然后执行特权操作。完成后，操作系统调用一个特殊的从陷阱返回指令并返回到用户模式。

接下来我们来看另一个问题，操作系统是如何进行进程切换的。这个问题看起来很简单cpu虚拟化技术名词解释，就是操作系统直接在不同进程之间切换，其实很棘手。最重要的是进程的调度算法。本文不谈进程调度算法。我们将在下一篇文章中主要讨论它。

这里我们先看几张图来简要说明进程调度是如何进行的：

参考书：操作系统简介

此图显示了操作系统和硬件在操作系统启动时如何处理中断时钟。我们来看一个进程切换图：

如图所示，两个进程之间的切换就这么简单：进程A正在运行，然后被中断时钟中断。硬件保存寄存器并进入内核。在时钟中断处理程序中，操作系统决定从正在运行的 A 进程切换到 B 进程。同时恢复注册进程B，然后切换上下文。具体来说，B的内核栈是通过改变栈指针来使用的。最后操作系统从陷阱中返回，恢复 B 的寄存器并运行。

是的，这就是在两个进程之间进行切换的方式。如果我们的操作系统只支持最多同时运行两个进程，那么这个问题不是问题，但实际上肯定有两个以上的进程同时运行。那么，主要问题出现了，如何调度这么多进程？也就是说，我们需要一种能够在操作系统中高效、稳定、安全、公平地调度进程的算法，使得对于用户来说，多个进程同时运行。有几种比较有名的算法，我们下一篇继续讲。（暗语不易，感谢阅读）