我是心原一馬，接下來整理第三章的內容。

上一篇: 【小黑馬作業系統教室】(5) (Ch2)常見的OS結構

要我說OS第三章最重要的圖，
大概屬底下這張了吧:

程式的生命週期

這張圖展示了一個程式(process)的生命週期，
一開始這張圖對小馬來說是相當難理解的，
因為小馬怎麼樣也想不到說程式會細分為五個狀態。
對於初學程式來說，寫程式的過程無非就是
「寫程式碼」->「按下編譯按鈕執行」->「程式結束」，
所以真的要猜的話，頂多猜程式有三個狀態: 「new」->「running」->「terminated」。

會有五個狀態，大概就是描述有多個程式的互動關係了。
從字面上意思，大概可以了解粗略的意思:

new: 程式剛創建的階段
ready: 程式準備就緒，就等OS安排執行了
running: 程式正在執行中
waiting: 等候system call完成
terminated: 程式已經執行完畢

另外，從字面上意思，
「ready」和「waiting」這兩個狀態尤其難理解，
它們看起來都具有「等待」的意思，究竟分別在等什麼呢?

為了更容易地理解，
小馬決定再引入動畫的比喻:

(圖片來源: 動畫<暗殺教室>第一季第六集)

關於這張圖，在自己的作業系統教學的系列文第三篇、第四篇都有出現，
講的是這位「章魚老師」可以用20倍音速移動，
快速來回穿梭於教室之間，
達到「同時」幫幾十個同學們輔導課業的效果。

小馬自己還蠻喜歡這個比喻的，

• CPU- 電腦用來運作程式的地方，我們可以把它比喻為「老師」
• process- 程式，我們可以把它比喻為「老師處理學生問題的過程」(比如說: 要老師批改學生的作業、有課業問題要問老師)

章魚老師的課後輔導教室

這邊我們就以老師和學生的互動過程，
用來比喻OS跟程式之間的互動過程，
來看看程式如何在五個狀態之間切換。

我們現在就想像這樣一個情境:
由於期末考快到了，
很有熱忱的「章魚老師」決定開一個課後輔導時間，
透過快速穿梭於教室「同時」幫學生們輔導課業，
讓有需要的同學自由參加。
那麼…

• new-> ready : 假設原來有19個學生在教室接受老師輔導，新來了一個學生，變成同時有20個學生接受老師輔導，那麼新來的那個學生便猶如由「new state」切換到「ready state」。
  (比喻: 作業系統本來管理19支程式，新增一支程式)

• ready, running state間互換稱為「context switch」:
  在【小黑馬作業系統教室】(4)介紹過context switch一詞，
  章魚老師快速來回穿梭於教室之間的動作，
  輪流解決學生的問題，稱為「context switch」。
  (比喻: OS快速交替選出程式給CPU執行)

接下來再對於兩個狀態互換來講:

• ready->running:
  如何決定要換哪支程式給CPU執行呢?
  在OS上實際上有支叫做scheduler的程式進行程式的排程，
  CPU一次只會執行一支程式，
  scheduler會決定下一個給CPU執行的程式是哪個。
  以比喻來說的話，
  就是彷彿「章魚老師」每次在選擇要處理哪個學生的問題時，
  有個類似「小老師」或是「助教」的職位幫老師決定。

• running->ready:
  透過interrupt打擾CPU，
  對於interrupt是什麼有在【小黑馬作業系統教室】(3)細講了，
  不過這邊講的interrupt除了程式有特別需求去打斷CPU以外，
  更多的interrupt可能是來硬體「Timer」的打斷。
  「Timer」類似一個「鬧鐘」，
  因為不希望有的程式一直無限等待都沒被執行到，
  (比喻: 不希望有的學生一直等待問問題但老師都不鳥他)
  因此「Timer」每隔一段時間會固定發出一個interrupt打斷CPU，
  告訴CPU說時間到了，該換人了。

• running-> waiting:
  那什麼時候程式會從running state切換到waiting state呢?
  就是程式要做一件耗時的事情時，比如說I/O (之前說過I/O是input/output的簡稱)，
  (這點可能要寫程式的人比較有感覺，讓程式在螢幕上印出文字遠比做加法運算耗時)
  OS就會先把CPU的資源讓出來給其它程式使用，
  做I/O的程式便進入 waiting state。
  以學生的比喻來說就是學生中途想去「上廁所」，
  「上廁所」是一件耗時的事情，
  那這時老師自然先處理其它學生的問題。

• waiting->ready:
  當程式將耗時的事情(比如: I/O)做完時，
  程式就會回到ready state等候OS安排給CPU執行，
  好比說學生上完廁所回到教室一樣。

• running-> terminated:
  程式執行完畢。
  (比喻: 學生參加自由的課後輔導，由於問題都問完了，離開教室。)

scheduler的種類

講完了程式的生命週期，
我們可以看到在OS上是有支叫做scheduler的程式，
用來管理程式。
(比喻: 「章魚老師」有個「小老師」或是「助教」管理學生在教室的進出，或決定換誰給老師處理問題)
依據不同的程式狀態切換，
scheduler可以分為三種。

短、中、長期的排程決定者

• Short-term scheduler: 又稱 CPU scheduler，在Ready state中選擇哪支程式可以進入running state，被CPU執行。(當前換哪個學生給老師處理問題)
• Long-term scheduler: 又稱 job scheduler，選擇哪些程式可以從new state進入ready state，決定的是當前可以有多少支程式同時執行。(當前有幾個學生在教室)
• Medium-Term Scheduler: 決定哪支程式要請出記憶體，由running state 進入waiting state等待。用意是當程式要做IO, sleep這類耗時長的事情時，先將程式移出記憶體，等待它做完，再將程式搬回記憶體，節省記憶體空間。(當前哪個學生要上廁所，先把學生請出教室)

先整理到這裡吧。