空閑CPU在做什么？
我們知道操作系統的特性是：在任何時間內，CPU有且只有一個任務在運行。如果沒有一個任務在運行，CPU在做什么的?
事實證明，這種情況非常普遍，對于大多數個人計算機來說，它實際上是常態：睡眠過程的進程，都在等待某些條件喚醒，而近100%的CPU時間正在這個神秘的“空閑任務”中。事實上，如果CPU一直忙于普通用戶，那通常是有問題的，或者是惡意軟件在霸占CPU。
為了保持設計的一致性，OS開發人員創建了一個空閑任務，當沒有其他工作時，該任務將被安排運行。我們在Linux 啟動過程中已經看到，空閑任務是進程0，它是計算機首次打開時運行的第一條指令的直接后代。它在rest_init中 初始化，其中init_idle_bootup_task初始化空閑調度類。
簡而言之，Linux支持不同的調度類，例如實時進程，常規用戶進程等。當選擇進程成為活動任務時，將按優先級順序查詢這些類。這樣，“核反應堆控制代碼”總是在Web瀏覽器之前運行。但是，這些類通常會返回NULL，這意味著它們沒有合適的運行過程 - 它們都在睡覺。但是最后運行的空閑調度類永遠不會失敗：它總是返回空閑任務。
這一切都很好，但讓我們來看看這個空閑任務究竟在做什么。cpu_idle_loop，如下：
cpu_idle_loop
- while（1）{ while（！need_resched（））{ cpuidle_idle_call（）; }
- / *
- [注意：切換到其他任務。當
- 再次選擇空閑任務運行時，我們將返回此循環。]
- * /
- schedule_preempt_disabled（）;
- }
我已經省略了很多細節，我們稍后會仔細研究任務切換，但是如果你閱讀了代碼，你會得到它的重要信息：只要不需要重新安排，即改變活動任務，CPU就會一直空閑。以經過的時間來衡量，這個循環及其在其他操作系統中的表兄弟可能是計算歷史中執行最多的代碼片段。對于英特爾處理器，傳統上保持空閑意味著運行暫停指令：
native_halt
- static inline void native_halt(void)
- {
- asm volatile("hlt": : :"memory");
- }
hlt停止處理器中的代碼執行并將其置于暫停狀態。奇怪的是，全世界數以百萬計的類似英特爾的CPU正在花費大部分時間停止工作，即使在他們通電的情況下也是如此。它也不是非常有效的節約能源，這導致芯片制造商為處理器開發更深層次的睡眠狀態，從而在更長的喚醒延遲中消耗更少的功耗。內核的cpuidle子系統負責利用這些節能模式。
現在，一旦我們告訴CPU停止或睡眠，我們需要以某種方式讓它恢復活力。如果您已閱讀過我以前的文章，您可能會懷疑涉及到中斷，實際上它們也是如此。中斷會刺激CPU退出暫停狀態并恢復運行。所以把這些放在一起，這是你的電腦在閱讀這篇文章時所做的大部分工作
除定時器中斷外的其他中斷也會使處理器再次運行。如果你點擊一個網頁就會發生這種情況，例如：你的鼠標發出一個中斷，它的驅動程序處理它，突然一個進程可以運行，因為它有新的輸入。此時need_resched()返回true，并且啟動空閑任務以支持您的瀏覽器任務。
這是隨時間變化的空閑循環：
在這個例子中，內核將定時器中斷編程為每4毫秒(ms)發生一次。這是滴答期。這意味著我們每秒獲得250個滴答，因此滴答率或滴答頻率為250 Hz。這是在英特爾處理器上運行的Linux的典型值，100赫茲是另一個人群的最愛。這在CONFIG_HZ構建內核時在選項中定義。
現在看起來對于空閑CPU來說看起來像是一項非常多的毫無意義的工作，而且確實如此。如果沒有來自外界的新鮮輸入，CPU將繼續陷入這種地獄般的小睡狀態，在您的筆記本電腦電池耗盡時，每秒鐘會被喚醒250次。如果這是在虛擬機中運行，我們將從主機CPU燒掉電源和時鐘周期。
這里的解決方案是動態勾選，以便當CPU空閑時，定時器中斷被取消激活或重新編程，以便在內核知道將要工作的地方發生(例如，進程可能有一個定時器)在5秒內到期，所以我們不能睡過去)。這也稱為無滴答模式。
最后，假設您在系統中有一個活動進程，例如長時間運行的CPU密集型任務。這幾乎與空閑系統完全相同：上述圖保持大致相同，只需將一個進程替換為空閑任務，圖景就是準確的。在那種情況下，每隔4毫秒中斷任務是沒有意義的：它只是操作系統抖動，從而減慢了你的工作量。Linux還可以在這個單進程場景中停止固定速率滴答，即所謂的自適應滴答模式。最終，固定速率蜱可能會消失完全。
這對于一個文章來說已經足夠發散了。內核的空閑行為是操作系統難題的重要組成部分，它與我們將看到的其他復雜情況非常相似，因此這有助于我們構建正在運行的內核的圖景。
