《操作系统 - 清华大学》 9 -1：进程调度：背景

进程调度：基础概念与调度策略详解

在进程调度这部分，我们会涉及以下内容：背景介绍、各种各样的调度算法（包括通用操作系统的调度算法以及针对实时系统的算法），还会额外介绍一种调度算法。

一、CPU调度的背景与目的

已经了解到进程都希望占用CPU来执行自己的工作。当一个进程被切换到运行态，它就能占用CPU执行；而从运行态切换到其他状态后，就无法再使用CPU 。那么，什么时候进行进程切换，依据什么原则进行切换，这就与CPU调度密切相关。
CPU调度（也叫处理器调度）的主要工作是在每个时刻决定选择哪个进程使用CPU执行，目的是使整个系统效率更高，或者满足特定的应用需求，比如满足实时性等特殊需求。

二、调度时机与调度点

结合进程生命周期的概念，当进程从一个状态变换到另一种状态时，就会触发一次调度，尤其是和运行相关的状态变化，例如从就绪态到运行态、从运行态回到等待状态、从运行态到退出状态等。这些状态变化时刻就是调度的时机，也被称为调度点。
此外，触发调度的情况有多种，有些是有时间相关的，在程序的一些位置进行调度后还需要考虑两种情况。因为大多数时候我们调度的是应用程序，应用程序运行时是以用户态进程的形式存在。

三、非抢占式与抢占式调度策略

1. 非抢占式调度（long preety）
   启动一个进程后，在其从开始到结束的整个过程中，不允许被其他进程打断，这是早期商用设计的一种情况，被称为非抢占式调度策略。采用这种策略，一个进程一旦启动，别的进程就不能打断它，这可能导致其他进程需要长时间等待正在运行的进程执行完毕，效率可能不高。例如，当有进程处于等待状态时，后续进程由于前面的进程未执行完，也不得不等待，进而影响系统整体效率。
2. 抢占式调度（preemptive）
   在用户进程执行过程中，系统可能会在某个时刻打断当前用户进程的执行，并选择另一个系统认为更值得执行的进程去执行，这就是抢占式调度方式。这是现在操作系统中常用的调度策略。

四、内核中的抢占概念

我们通常所说的抢占式调度是针对用户态进程而言的，在内核中也存在是否可以抢占的概念。
当一个用户进程执行系统调用时，如果该系统调用在内核中不会导致进程处于等待状态，即进程仍处于运行状态，那么当系统调用正常返回时，它一定会返回到发起该系统调用的进程继续执行，这意味着内核中不会出现抢占现象。也就是说，只要进程在内核中执行系统调用的流程中，自身不会从运行态变为阻塞态，就应确保返回后是发起调用的进程继续执行，这被称为内核的非抢占情况。
相反，如果在内核中允许抢占，即当某个进程发起的系统调用在内核执行时，若产生特殊事件，需要将当前内核切换到另一个优先级更高的进程执行，那么当系统从内核态返回用户态时，可能会切换到其他进程，这种情况被称为抢占式内核。

五、操作系统调度策略的发展

早期的操作系统，如Windows NT之前的Windows操作系统，不支持用户级的抢占，采用的是非抢占式调度策略。而到了Windows NT及现代操作系统，都支持用户态进程的抢占，并且现在更高级的Windows系统还支持在内核中进行抢占，这使得系统更加灵活，性能更好。