进程的调度

进程调度的概念

当有一堆任务需要处理的时候，但由于资源有限，这些事情无法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题。

进程调度的层次

高级调度

先明确一个概念：

• 作业：一个具体的任务
• 用户向系统提交一个作业 ≈ 用户让操作系统启动一个程序（来处理一个具体的任务）

高级调度（作业调度）：按一定的原则从外存的作业后备队列中选择一个（或多个）作业调入内存，给他们分配内存等必要资源，并 建立相应的进程（建立 PCB）。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立 PCB，调出时才撤销 PCB

好几个程序需要启动，到底先启动哪个

中级调度

当内存不够时，可能会把某些进程的数据调出到外存。等内存空闲时或者进程需要运行时再重新调入内存中
暂时调到外存等待的进程状态为 挂起状态。被挂起的进程 PCB 会被组织成挂起队列。

中级调度（内存调度）：按照某种策略决定将哪个处于挂起的进程重新调入内存。一个进程可能多次调出、调入内存，因此 中级调度 发生的 频率 要比高级调度 高。

补充知识：进程的挂起态 & 七状态模型

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态，suspend）。挂起态可以分为就绪挂起、阻塞挂起两种。

挂起 & 阻塞 区别

两种都是不能获得 CPU 的服务，但是挂起态是将进程从内存调出到外存中，而阻塞态的进程依然在内存中。
有的操作系统会把就绪挂起和阻塞挂起分为两个队列，甚至可以根据阻塞的原因将阻塞队列细分为更多的队列。

低级调度

低级调度（进程调度 / 处理机调度）：按照某种策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它（内存 -> CPU）

进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。

三种调度的联系和对比

进程调度的时机

需要进行进程调度与切换的情况（When）：

• 当前运行的进程 主动放弃 处理机
  • 进程正常终止
  • 运行过程中发生异常而终止
  • 进程主动请求阻塞（如：等待 I/O）
• 当前运行的进程 被动放弃 处理机
  • 分给进程的时间片用完
  • 有更紧急的事情需要处理（如：I/O 中断）
  • 有更高优先级的进程进入就绪队列

不能进行进程调度与切换的请况：

• 在 处理机中断的过程中。中断处理过程复杂，与硬件密切相关，很难做到在中断处理中进行进程切换
• 进程在 操作系统内核程序临界区 中
• 在 原子操作过程中（原语）。原子操作不可中断，要一起呵成（如之前讲过的修改 PCB 中进程状态标志，并把 PCB 放到相应队列）

临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进城需要 互斥地 访问临界资源 临界区：访问临界资源的那段代码。

内核程序临界区一般是用来访问某种内核数据结构的，比如进程的就绪队列（由各就绪进程的 PCB 组成）。

进程调度的方式

非剥夺调度方式，又称 非抢占方式。即，只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便有更紧迫的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。

• 实现简单，系统开销小但是无法及时处理紧急任务，适合于早期的批处理系统。

剥夺调度方式，又称 抢占方式。当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要或更紧急的进程需要使用处理机，则立即暂停正在执行的进程，将处理机分配给更重要紧迫的进程

• 可以优先处理更紧急的进程，也可以实现让各进程按时间片轮询执行的功能（通过时钟中断）。适合于分时操作系统、实时操作系统。

进程的切换和过程

“狭义的进程调度”与“进程切换”的区别：

• 狭义的进程调度 指的是从就绪队列中 选中一个要运行的进程。（这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程，也可能是 另一个进程，后一种情况就需要 进程切换）
• 进程切换 是指一个进程让出处理机，由另一个进程占用处理机的过程

广义的进程调度包含了 选择一个进程 和 进程切换 两个步骤。

进程切换的过程主要完成了：

1. 对原来运行进程各种数据的保存
2. 对新的进程各种数据的恢复（如：程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息，这些信息一般保存在进程控制块）

注意：进程切换是有代价的，因此如果 过于频繁 的进行进程 调度、切换，必然会使整个 系统的效率降低，使系统大部分时间都花在了进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少