Gustavo Duarte写的一篇详细文章指出，CPU空闲时并不是什么都不干，而是在运行空闲任务(idle tasks)。

CPU整体设计就是完成当前操作后尽可能快速地返回到空闲状态，但系统必须要有某种方法/方式来唤醒芯片，让它去关注其他某些东西。

其中的一种方式是使用系统计时器(system timer)。

阻止CPU消耗太多电量的一种方法是内置更长的时钟周期(tick periods)。通过这种方式，CPU在唤醒之前需要度过更长的空闲时间，然后执行基本任务，接着再次睡眠。

什么是空闲任务(idle task)？

空闲任务可能听起来有点自相矛盾，关键是你要理解CPU既然通电，那么就必须时刻不停地在运转，即使他什么正事也不干。

对于运行在x86芯片上的Windows来说，这个功能表现为暂停(HLT)指令，对应Windows的System Idle Process进程。

Windows只有在某个CPU核心没有合适的线程可执行时，才会调用idle空闲进程去运行。

如果你查看Windows系统的任务管理器，你会看到System Idle Process(系统空闲进程)大多数时候都显示一个较高的CPU使用百分比。和进程列表中的其他进程不同，空闲进程的值越高，代表CPU的工作量越小。 unix及linux系统可以通过top来查看： 总的来说，在Intel x86架构CPU中，“idle task”的实现是通过执行HLT指令实现的。当CPU执行HLT指令后，CPU就会停止指令的执行，并且让CPU处于HALT状态。当CPU处于HALT状态的时候，CPU虽然停止指令执行，并且CPU的部分功能模块将会被关闭（达到降低功耗的目的），但是CPU的LAPIC（Local Advanced Programmable Interrupt Controller）并不会停止工作，即CPU将会继续接收外部中断、异常等事件（事实上，CPU HALT状态的退出将由外部事件触发）。当CPU接收到这些外部事件的时候，将会从HALT状态恢复回来，执行中断服务函数，并且当中断服务函数执行完毕后，指令寄存器（CS:EIP）将会指向HLT指令的下一条指令，即CPU继续执行HLT指令之后的程序。 HLT指令是特权指令，所以需要在Ring 0中执行，对于Linux来说，只能由内核执行。

设计HLT指令的目的是为了尽可能地减少电量消耗，并使CPU进入节能模式/状态。有兴趣的可以自行去google一下HLT的历史。

cpu空闲这种情况是非常普遍的，对于绝大多数的个人电脑来说，这确实是一种常态：大量的睡眠进程，它们都在等待某种情况下被唤醒，差不多在 100% 的 CPU 时间中，都处于虚构的“空闲任务”中。事实上，如果一个普通用户的 CPU 处于持续的繁忙中，它可能意味着有一个错误、bug、或者运行了恶意软件。

因此，操作系统开发者创建了一个空闲任务，当没有其它任务可做时就调度它去运行。我们可以在 Linux 的 引导过程 中看到，这个空闲任务就是进程 0，它是由计算机打开电源时运行的第一个指令直接派生出来的。它在 rest_init 中初始化，在 init_idle_bootup_task 中初始化空闲调度类scheduling class。

简而言之，Linux 支持像实时进程、普通用户进程等等的不同调度类。当选择一个进程变成活动任务时，这些类按优先级进行查询。尽管在通常情况下，这些类返回 NULL，意味着它们没有合适的任务需要去运行。但是空闲调度类，它是持续运行的，从不会失败：它总是返回空闲任务。

从Linux内核的启动源码来看，在init/main.c:start_kernel()的最后将会调用rest_init()函数，rest_init()将会进行如下调用： init/main.c:rest_init() => kernel/sched/idle.c:cpu_startup_entry() => kernel/sched/idle.c:do_idle() => kernel/sched/idle.c:cpuidle_idle_call() => kernel/sched/idle.c:default_idle_call() => arch/x86/kernel/process.c:arch_cpu_idle()，在x86平台，x86_idle被赋值为arch/x86/kernel/process.c:default_idle() => safe_halt()

safe_halt()指向arch/x86/include/asm/irqflags.h:native_safe_halt() 下面是 cpu_idle_loop，感谢开源能让我们看到它的代码：

我省略了很多的细节，稍后我们将去了解任务切换，但是，如果你阅读了这些源代码，你就会找到它的要点：由于这里不需要重新调度（即改变活动任务），它一直处于空闲状态。以所经历的时间来计算，这个循环和其它操作系统中它的“堂兄弟们”相比，在计算的历史上它是运行的最多的代码片段。对于 Intel 处理器来说，处于空闲状态意味着运行着一个 halt 指令.

hlt 指令停止处理器中的代码执行，并将它置于 halt 的状态。奇怪的是，全世界各地数以百万计的 Intel 类的 CPU 们花费大量的时间让它们处于 halt 的状态，甚至它们在通电的时候也是如此。这并不是高效、节能的做法，这促使芯片制造商们去开发处理器的深度睡眠状态，以带来着更少的功耗和更长休眠时间。内核的 cpuidle 子系统 是这些节能模式能够产生好处的原因。

现在，一旦我们告诉 CPU 去 halt（睡眠）之后，我们需要以某种方式让它醒来。中断！！。中断促使 CPU 离开 halt 状态返回到激活状态。因此，将这些拼到一起，下图是当你阅读一个完全呈现的 web 网页时，你的系统主要做的事情： 除定时器中断外的其它中断也会使处理器再次发生变化。如果你再次点击一个 web 页面就会产生这种变化，例如：你的鼠标发出一个中断，它的驱动会处理它，并且因为它产生了一个新的输入，突然进程就可运行了。在那个时刻， need_resched() 返回 true，然后空闲任务因你的浏览器而被踢出而终止运行。

当CPU没有可运行的任务的时候，CPU将会执行idle task（循环地执行HLT指令），即CPU执行HLT指令后，将会进入HALT状态。当CPU接收到时钟中断的时候，将会执行中断服务函数，然后继续执行idle task，进入HALT状态。如下图所示，即CPU周期性地进入HALT状态，并被唤醒，直到CPU检测到有可运行的任务。

如果我们呆呆地看着这篇文章，而不做任何事情。那么随着时间的推移，这个空闲循环就像下图一样：

在这个示例中，由内核计划的定时器中断会每 4 毫秒发生一次。这就是滴答tick周期。也就是说每秒钟将有 250 个滴答，因此，这个滴答速率（频率）是 250 Hz。这是运行在 Intel 处理器上的 Linux 的典型值，而其它操作系统喜欢使用 100 Hz。这是由你构建内核时在 CONFIG_HZ 选项中定义的。

对于一个空闲 CPU 来说，它看起来似乎是个无意义的工作。如果外部世界没有新的输入，在你的笔记本电脑的电池耗尽之前，CPU 将始终处于这种每秒钟被唤醒 250 次的地狱般折磨的小憩中。

最后，假设在一个系统中你有一个活动进程，例如，一个长时间运行的 CPU 密集型任务。那样几乎就和一个空闲系统是相同的：这些示意图仍然是相同的，只是将空闲任务替换为这个进程，并且相应的描述也是准确的。在那种情况下，每 4 毫秒去中断一次任务仍然是无意义的：它只是操作系统的性能抖动，甚至会使你的工作变得更慢而已。Linux 也可以在这种单一进程的场景中停止这种固定速率的滴答，这被称为 自适应滴答 模式。最终，这种固定速率的滴答可能会 完全消失。

对于阅读一篇文章来说，CPU 基本是无事可做的。内核的这种空闲行为是操作系统难题的一个重要部分，并且它与我们看到的其它情况非常相似，因此，这将帮助我们理解一个运行中的内核。

参考：https://linux.cn/article-9303-1.html 参考：https://blog.csdn.net/lindahui2008/article/details/83051411