【操作系统】——调度

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目录

处理机调度的概念、层次

进程调度的时机、切换与过程、方式

调度器和闲逛进程

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处理机调度的概念、层次

调度的基本概念

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。

调度的三个层次——高级调度

内存空间有限，有时无法将用户提交的作业全部放入内存.

作业后备队列
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）【简化理解：好几个程序需要启动，到底先启动哪个】。按一定的原则从外存的作业后备队列中挑选一个作业调入内存，并创建进惺。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。

调度的三个层次——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。
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。

调度的三个层次——中级调度

内存不够时，可将某些进程的数据调出外存。等内存空闲或者进程需要运行时再重新调入内存。
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。

补充知识：进程的挂起态与七状态模型

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态，suspend）挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态

五状态模型 ——>七状态模型

注意“挂起”和“阻塞”的区别，两种状态都是暂时不能获得CPU的服务，但挂起态是将进程映像调到外存去了，而阻塞态下进程映像还在内存中。
有的操作系统会把就绪挂起、阻塞挂起分为两个挂起队列，甚至会根据阻塞原因不同再把阻塞挂起进程进一步细分为多个队列。

三层调度的联系、对比

进程调度的时机、切换与过程、方式

进程调度的时机

进程调度（低级调度），就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程其分配处理机。

需要进行进程调度与切换的情况：

当前运行的进程主动放弃处理机（有的系统中，只允许进程主动放弃处理机）

①：进程正常终止
②：运行过程中发生异常而终止
③：进程主动请求阻塞（如等待1/0）

当前运行的进程被动放弃处理机（有的系统中，进程可以主动放弃处理机，当有更紧急的任务需要处理时，也会强行剥夺处理机（被动放弃））
①：分给进程的时间片用完
②：有更紧急的事需要处理（如1/0中断）
③：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情况：

1. 在处理中断的过程中。中断处理过程复杂，与硬件密切相关，很难做到在中断处理过程中进行进程切换。
2. 进程在操作系统内核程序临界区中。（但是进程在普通临界区中是可以进行调度、切换的）
3.在原子操作过程中（原语）。原子操作不可中断，要一气呵成（如之前讲过的修改PCB中进程状态标志，并把PGB放到相应队列）

进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换（√）

进程处于临界区时不能进行处理机调度（×）
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）

如果还没退出临界区（还没解锁）
就进行进程调度，但是进程调度相关的程序也需要访问就绪队列，但此时就绪队列被锁住了，因此又无法顺利进行进程调度。

内核程序临界区访问的临界资源如果不尽快释放的话，极有可能影响到操作系统内核的其他管理工作。因此在访问内核程序临界区期间不能进行调度与切换。

在打印机打印完成之前，进程一直处于临界区内，临界资源不会解锁。但打印机又是慢速设备，此时如果一直不允许进程调度的话就会导致CPU一直空闲。

普通临界区访问的临界资源不会直接影响操作系统内核的管理工作。因此在访问普通临界区时可以进行调度与切换。

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

进程的切换与过程

“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

小结：

调度器和闲逛进程

调度器 / 调度程序（scheduler）

②、③由调度程序引起，调度程序决定：
让谁运行？一一调度算法；运行多长时间？一一时间片大小
调度时机一—什么事件会触发“调度程序”？
• 创建新进程
• 进程退出
• 运行进程阻塞
•I/0中断发生（可能唤醒某些阻塞进程）
• 非抢占式调度策略，只有运行进程阻塞或退出才触发调度程序工作
• 抢占式调度策略，每个时钟中断或k个时钟中断会触发调度程序工作

闲逛进程

调度程序永远的备胎，没有其他就绪进程时，运行闲逛进程（idle) .

闲逛进程的特性：
• 优先级最低
• 可以是0地址指令，占一个完整的指令周期（指令周期末尾例行检查中断）
• 能耗低