2.2 处理机的调度
2.2.1 处理机调度的概念及层次
1.基本概念
当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。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。
在多道程序系统中，进程的数量往往是多于处理机的个数的，这样不可能同时并行地处理各个进程。
处理机调度，就是从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程的并发执行。
2.三个层次
调度分为三个层次，分别为高级调度，中级调度，低级调度。
- 高级调度（作业调度）
- 由于内存空间有限，有时无法将用户提交的作业全部放入内存，因此就需要确定某种规则来决定将作业调入内存的顺序。
- 高级调度（作业调度)，按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个(或多个）作业，给他们分配内存等必要资源，并
建立相应的进程（建立PCB)，以使它（们）获得竞争处理机的权利。 - 高级调度是辅存（外存）与内存之间的调度。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立相应的PCB，作业调出时才撤销PCB。高级调度主要是指调入的问题，因为只有调入的时机需要操作系统来确定，调出的时机必然是作业运行结束才调出。
- 中级调度（内存调度）
- 引入了虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且内存又稍有空闲时，再重新调入内存。这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。
- 暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。值得注意的是，PCB并不会一起调到外存，而是会
常驻内存。PCB中会记录进程数据在外存中的存放位置，进程状态等信息，操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到挂起队列中。 - 中级调度（内存调度），就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。
- 一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。
- 低级调度（进程调度）
3.三层调度的联系、对比
2.2.2 进程调度的时机,方式和切换过程
2.2.2.1 进程调度时机
- 什么时候
需要进行进程调度与切换？
- 什么时候
不能进行进程调度与切换？
临界资源： 一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥的访问临界资源。
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。
2.2.2.2 进程调度的方式
- 非抢占式
- 抢占式
2.2.2.3 进程调度的切换过程
“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:
- 对原来运行进程各种数据的保存
- 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。
2.2.2.4 调度器和闲逛进程
1.调度器（调度程序）
2.闲逛进程
2.2.3 调度算法的评价指标
- 周转时间，是指从
作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。它包括四个部分：作业在外存后备队列上等待作业调度(高级调度)的时间、进程在就绪队列上等待进程调度(低级调度)的时间、进程在CPU上执行的时间、进程等待I/O操作完成的时间。后三项在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次。
调度算法的评价准则
- 具有公平性
- 资源利用率高（特别是CPU利用率）
- 在交互式系统情况下要追求响应时间（越短越好）
- 在批处理系统情况下要追求系统吞吐量
2.2.4 调度算法
1.先来先服务（FCFS）
- 基本思想
- 按照作业/进程到达的先后顺序进行服务
- 非抢占式算法
- 用于作业、进程调度
- 算法评价
- 有利于长作业，不利于短作业
- 有利于CPU繁忙的作业，不利于I/O繁忙的作业
- 不会导致饥饿
饥饿：某进程/作业长期得不到服务。
2.短作业优先（SJF）
- 基本思想
- 最短的作业/进程优先得到服务（最短是指运行时间最短）
- 可有抢占或非抢占方式（没有特别说明，默认是非抢占式的）
- 用于作业、进程调度
- 算法评价
- 在所有进程都几乎同时到达时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少
- 对短作业有利，不利于长作业
- 可能会产生饥饿现象
非抢占式
抢占式
3.高响应比优先（HRRN）
响应比=（等待时间+服务时间）/服务时间
- 基本思想
- 在每次调度时，先计算各个作业/进程的
响应比，选择响应比最高的作业/进程为其服务。 - 非抢占式算法
- 用于作业、进程调度
- 算法评价
- 综合考虑了等待时间和运行时间。等待时间相同时，运行时间短的优先(SJF 的优点)运行时间相同时，等待时间长的优先(FCFS 的优点)对于长作业来说，随着等待时间越来越久，其响应比也会越来越大，从而避免了长作业饥饿的问题
4.时间片轮转调度算法（RR）
- 基本思想
- 按照各进程到达就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个
时间片（如100ms）。若进程未在一个时间片内执行完，则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队 - 抢占式算法
- 用于进程调度（只有作业放入内存建立了相应的进程后，才能被分配处理机的时间片）
- 算法评价
- 当时间片很小时，切换的频率高，时间片花销大
- 当时间片过大时，进程切换开销减少，但是进程轮转一次需要的等待时间增加，周转时间增加。
- 当时间片大到每个进程足以完成时，时间片调度算法便退化为FCFS算法
- 不会导致饥饿
分析1：时间片为2的情况
答案：
时间片为5的情况
答案：
注意：
如果时间片太大，使得每个进程都可以在一个时间片内就完成，则时间片轮转调度算法退化为先来先服务调度算法，并且会增大进程响应时间。因此时间片不能太大。
另一方面，进程调度、切换是有时间代价的(保存、恢复运行环境)，因此如果时间片太小，会导致进程切换过于频繁，系统会花大量的时间来处理进程切换，从而导致实际用于进程执行的时间比例减少。可见时间片也不能太小。
5.优先级调度算法
- 基本思想
- 按照每个作业/进程各自的优先级，调度时选择优先级最高的作业/进程
- 抢占式、非抢占式都有。非抢占式只需在进程主动放弃处理机时进行调度即可，而抢占式还需在就绪队列变化时，检查是否会发生抢占。
- 用于进程、作业调度，还可以用于I/O调度
- 算法评价
- 可根据优先级灵活调整对各种作业、进程的调度。
- 会导致饥饿现象（如果高优先级的进程数量多，会导致进程饥饿）
非抢占式
抢占式
优先级分为
静态优先级和动态优先级。
系统进程优先级高于用户进程
6.多级反馈队列（MQ）
- 基本思想
- 1. 设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大。
- 2. 新进程到达时先进入第1级队列，按FCFS原则排队等待被分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾。如果此时已经是在最下级的队列，则重新放回该队列队尾
- 3. 只有第k级队列为空时，才会为 k+1 级队头的进程分配时间片
- 抢占式算法（在k 级队列的进程运行过程中，若更上级的队列(1~k-1级)中进入了一个新进程，则由于新进程处于优先级更高的队列中，因此新进程会抢占处理机，原来运行的进程放回 k 级队列队尾）
- 用于进程调度
- 算法评价
- 对各类型进程相对公平(FCFS的优点)。每个新到达的进程都可以很快就得到响应 (RR的优点)；短进程只用较少的时间就可完成(SPF的优点)；不必实现估计进程的运行时间(避免用户作假)；可灵活地调整对各类进程的偏好程度，比如CPU密集型进程、I/O密集型进程(拓展:可以将因I/O而阻塞的进程重新放回原队列，这I/O型进程就可以保持较高优先级)
- 会导致饥饿现象
不懂的话可以看王道计算机考研操作系统视频第24集
