上一节概要地介绍了CPU的编程接口，从计算机工程的角度来看，硬件的上一层是操作系统（OS）。操作系统的设计目的，是利用硬件暴露出来的接口，实现一些基础功能，然后再把更高级的接口暴露给上层应用。
操作系统要给上层应用提供哪些接口呢？第一个要提及的，就是进程。
进程已成为现代计算机中最重要的基础概念，它是为了解决“多任务”的问题衍生出来的解决方案。如前节所述，CPU其实只能很简单机械地操作指令流水，正常情况下，流水顺序进行，当遇到跳转或中断的时候，它就跳到一个新的地址，并且从新的地址开始继续机械地执行下去。至于当前执行的程序代表了什么含义，它的输入是什么，输出是什么，要执行多长时间，CPU其实完全不关心。换句话说，CPU眼中没有“任务”，只有指令流。
任务，是人类思维中的概念。为了让CPU能够完成我们预想的任务，我们需要根据目标编写相应的指令流（编程），然后再把指令流交给CPU去执行。例如，假设每个任务都可以独立编写为一个指令流，而我们有三个任务要让CPU去执行，那么可以采用下图的方式。
我们在每个任务的指令流的最后，放置一个跳转语句，跳转到下一个任务的指令流的起始处。这样，当CPU执行完一个任务的时候，就可以自动跳转到下一个任务继续执行。严格来讲，这并不能算真正意义上的“多任务”执行。因为在任意时间点上，事实上只有一个任务被执行，其他任务都处在排队的状态，充其量只能算单任务串行。
那什么情况下，需要多任务的“并行”呢？前面讲过，指令当中的很大一部分是读写相关的操作，但读写指令（尤其外部设备的读写）在很多时候并不需要CPU亲自执行，而是通过一些外部设备来完成的。为啥要这样？因为相对于CPU的执行速度，这些设备的读写操作太“慢”了，为了不浪费CPU的“宝贵”资源，通常CPU会把外部设备的读写操作委托给这些设备自己的控制器。以硬盘读取为例，当CPU在执行任务一的过程中需要读取硬盘数据，它把这个命令传递给硬盘控制器，告诉它要从哪里读数据，读多少。然后，CPU就可以去忙别的事情了（比如，跳转去执行下一个任务二）。硬盘控制器会根据CPU的指令，将要读的数据一点一点地读取出来，放到内存的缓冲区中，全部读取完了以后，它再把正在埋头于执行任务二的CPU唤回来，告诉它数据已经读好了。CPU拿到了要读的数据，就再次跳转回任务一继续执行硬盘读取后面的指令。
在这个过程如下图所示，我们看到，由于在任务一种遇到了读取硬盘的指令，而这个指令消耗的时间比较长，CPU为了提高效率，就把这个指令委托给硬盘控制器来执行，而自己则暂时放弃了任务一，转而去执行任务二。当硬盘控制器读取完成以后，CPU又放下任务二，再回过头来继续任务一。
想象一下，如果任务一中有好多读取命令，那么上述过程会频繁发生，CPU就会不断地在任务一和任务二之间来回切换，从这个时间轴上来看，在足够长的一段时间里，两个任务的指令流都在被向前执行，就好像CPU在同时执行两个任务一样。这就是所谓“多任务”的本质。
在操作系统中，“任务”最终演化成了“进程”的概念，简单起见，我们暂时可以把进程理解为等同于上面所述的“任务”。操作系统的一个重要设计目标，就是能够同时支持多个进程的“同时”执行。本节我们将重点描述，操作系统是如何充分利用CPU的接口特性，辅以一些必要的数据结构，来实现诸如：创建进程、销毁进程、进程切换等功能。
如前所述，进程在本质上可以对应为一段指令流，N个进程则可能对应到N段指令流，而所谓的多进程同步执行，就是CPU在这N个指令流之间来回穿梭，每次都在某个流上执行几条指令，从而达到在一段时间内，所有指令流都向前进展的目的。
那么，为了实现这个目标，操作系统首先需要一块空间，来同时保存这N个指令流的代码，以及每个指令流当前被执行到的位置，以便CPU在来回穿梭的过程中可以快速定位到目的地。
如上图所示，这块保存进程相关信息的空间，我们称之为进程槽。每当系统创建一个新的进程，都会在空间里为它分配一个空槽用来保存相关信息。例如，该指令流当前被执行指令的位置，就是一个需要保存的重要信息。
接下来，还有个问题。CPU在执行一个进程的指令流的时候，在什么情况下会发生“进程切换”呢？以前面的例子来说，CPU执行进程一的时候遇到了读硬盘指令，于是跳转（切换）到进程二开始执行。问题是，当编写进程一的程序的时候，是不知道是否有进程二或其他进程的，那怎么才能做到让CPU遇到读取指令的时候，能准确地切换到其他进程呢？
在上一节我们曾经介绍过，改变顺序执行有两个方法，一个跳转指令，另一个是中断。两者的区别是，跳转指令，需要在编程的时候就知道要跳转的位置，而中断则不然，中断通常是由硬件来执行的跳转动作，它的跳转目标通常是一个提前约定好的固定位置。另外值得一提的是，虽然在之间的介绍中，中断是由CPU的硬件接口来引发的，但事实上，CPU通常也都设计了中断指令，可以通过指令代码来引发中断。
有了这个前提，我们就可以这样设计进程切换的逻辑：
在进程代码中，当遇到硬盘访问这样耗时操作的时候，我们就插入一条特定的中断指令（现实中，通常是由操作系统自动插入的）。这条中断指令的跳转地址是事先约定好的，操作系统提前在那个地址上写入了一段处理进程切换的程序。这段程序的主要逻辑是：
1、在进程槽中找到当前进程（也就是跳转之前的进程，例如：进程一）的信息，更新当前执行到的指令的位置（也就是原指令流中，中断指令的下一条指令）
2、依次查看其他槽位，找出另外一个可以执行的进程（例如：进程二）
3、从进程二的槽位中取出它的当前指令的地址，进行跳转，进而从那个位置开始执行进程二的指令流。这样，就完成了从进程一到进程二的切换。当硬盘完成读写后，会发生一个硬件中断，这个中断的类型跟前面提及的自动插入的中断指令的类型是一样的，所以也会跳转到同一个中断处理地址（也就是进程切换程序的地址）。于是，进程切换程序再次被执行：
1、在进程槽中找到当前进程（这次是进程二）的信息，更新当前执行到的指令的位置（进程二指令流中下一条指令的位置）
2、依次查看其他槽位，找出另外一个可以执行的进程（如果系统中只有进程一和进程二，则这次会找到进程一）
3、从进程一的槽位中取出它的当前指令的地址（就是之前保存的地址），进行跳转，进而从上次硬盘访问中断处继续执行。这样，就实现了从进程二切换回进程一的过程。
回顾实现进程切换的整个逻辑，有两个非常关进的要素。第一个是需要保存进程的“相关信息”，例如指令流的位置，现实世界中，要保存的信息显然更多，包括进程号、优先级、进程状态、权限，等等。Linux把这些信息保存在一个叫做task_struct的结构体当中。另一个要素是“中断”，因为有中断，CPU才能够在各个任务之间进行切换，且不依赖于每个任务的具体实现（换句话说，不依赖跳转语句，跟指令流的具体实现无关）。
从编程接口的角度，操作系统在进程管理方面主要提供了进程创建、进程销毁、进程调度三种功能支持。
进程的创建与销毁，在本质上对应了进程数据结构（Linux下是task_struct）的创建和销毁。虽然在具体实现上，不同的操作系统在细节上差异很大（比如Linux的fork()和Windows的 CreateProcess()在设计理念上都很迥异），但在进程数据结构层面又有很多相似性。进程数据结构中保存着描述进程状态的一切信息，它就好像游戏的存档一样，即使我们不再运行游戏（就好像CPU切出了进程，不再运行），但等下次再打开游戏加载回存档（就好像CPU再次切回进程，继续执行），就会跟之前的进度一样，好像我们从来没有离开过。
进程的调度，是操作系统的一个重要策略。我们前面描述的硬盘读写的例子，只是进程调度中一种非常简单的情况。现实世界中，即使进程中不涉及读写操作，也有可能因为时间片耗尽、或者等待事件等原因而发生切换。
需要特别强调一点，准确来说，进程调度是一种系统策略，而并非是一种接口功能。接口，是面向使用者的。进程的创建和销毁，都可以看做是接口功能（系统调用函数），使用者（程序员）可以使用它们来在操作系统中创建和销毁一个进程。但对进程调度来说，并不严格地存在某种系统调用能直接干预进程的调度状态，我们可以通过一些系统调用使得CPU暂停某个进程的执行（例如Wait()函数）,但却没有一种很明确的方法能够让CPU立刻切换到某个进程继续执行，这取决于进程当时的状态以及系统的进程调度策略本身。（这一段有点晦涩，看不懂也没关系）
有关进程，本节就先聊到这里。我只关注基本原理，不纠缠细节。至于更具体的 task_struct的字段、进程调度的策略细节，等等，需要的话哪里都能查得到，原理懂了，一切不在话下。