王道操作系统第2章-进程管理-调度

第2章-进程管理-进程调度

调度的概念、层次

当有一堆任务要处理，但资源有限，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（作业调度）

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）内存空间有限，有时无法将用户提交的作业全部放入内存

高级调度：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，并创建进程。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

低级调度（进程调度/处理机调度）

低级调度：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

中级调度（内存调度）

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地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：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：进程的挂起态和七状态模型

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态（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\rightarrow七状态模型

三层调度的联系和对比

要做什么调度发生在..发生频率对进程状态的影响高级调度(作业调度)按照某种规则,从后备队列中选择合适的作业将其调入内存,并为其创建进程外存\rightarrow内存(面相作业)最低无\rightarrow创建态\rightarrow就绪态中级调度(内存调度)按照某种规则,从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存外存\rightarrow内存(面相进程)中等挂起态\rightarrow就绪态(阻塞挂起\rightarrow阻塞态)低级调度(进程调度)按照某种规则,从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机内存\rightarrowCPU最高就绪态\rightarrow运行态

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）：就是按照算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机

• 需要进行进程调度与切换的情况

• 分给进程的时间片用完

• 有更紧急的事需要处理（如IO中断）

• 有更高优先级的进程进入就绪队列

• 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IO）

1. 当前运行的进程主动放弃处理机

2. 当前运行的进程被动放弃处理机

• 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。

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进程状态标志，并把PCB放到相应队列）

进程在操作系统内核临界区中不能进行调度与切换(√)

(2012真题)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）

当有一个进程处于内核程序临界区，并且要访问就绪队列时，在访问之前会把就绪队列上锁，如果还没有退出临界区（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。

另一种情况，当进程访问的是普通的临界资源如打印机时，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

1. 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。特点：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

2. 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特点：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）

进程切换是有代价的，因此如果过于频繁地进行进程调度、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进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少

调度器和闲逛进程

调度器/调度程序(scheduler)

②、③由程序调度引起，调度程序决定：

1. 让谁运行？——调度算法

2. 运行多长时间？——时间片大小

调度时机——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

• IO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

不支持内核级线程的操作系统，调度程序的处理对象是进程支持内核级程序的操作系统，调度程序的处理对象是内核线程

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

• 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）

• 耗能低

调度算法的评价指标

1. CPU利用率:指CPU"忙碌"的时间占总时间的比例

2. 系统吞吐量:单位时间完成的作业的数量系统吞吐量=\frac{总共完成了多少道作业}{总共花了多少时间}某计算机系统处理完10道作业共花费100s,则系统吞吐量为0.1道/s

3. 周转时间：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）的事件、进程在CPU上执行的时间、进程等待IO操作完成的事件。后三项（就绪态、运行态、阻塞态）在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次作业周转时间=作业完成时间-作业提交时间平均周转时间=\frac{各作业周转时间之和}{作业数}带权周转时间=\frac{作业周转时间}{作业实际运行的时间}=\frac{作业完成时间-作业提交时间}{作业实际运行的时间}

   平均带权周转时间=\frac{各作业带权周转时间之和}{作业数}带权周转时间必然\ge1对于周转时间相同的两个作业，实际运行时间长的作业在相同时间内被服务的时间更多，带权周转时间更小，用户满意度更高对于实际运行时间相同的两个作业，周转时间短的带权周转时间更小，用户满意度更高带权周转时间与周转时间都是越小越好

4. 等待时间：指进程/作业处于等待处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低对于进程来说，等待时间就是指进程建立后等待被服务的时间之和，在等待IO完成的期间其实进程也是在被服务的，所以不计入等待时间对于作业来说，不仅要考虑建立进程后的等待时间，还要加上作业在外存后备队列中等待的时间一个作业总共被CPU服务多久，被IO设备服务多久一般是确定不变的，因此调度算法其实只会影响作业/进程的等待时间。当然与前面指标类似，也有“平均等待时间”来评价整体性能。

5. 响应时间：指用户提交请求到首次响应所用的时间

调度算法

饥饿：某进程或作业长期得不到服务

先来先服务（FCFS，First Come First Serve）

• 算法思想：主要从”公平“的角度考虑

• 算法规则：按照作业/进程到达的先后顺序进行服务

• 用于作业/进程调度：用于作业调度时，考虑的是哪个作业先到达后备队列；用于进程调度时，考虑的是哪个进程先到达就绪队列

• 非抢占式的算法

• 优缺点：

• 优点：公平、算法实现简单

• 缺点：排在长作业（进程）后面的短作业需要等待很长时间，带权周转时间很大，对短作业来说用户体验不好。即FCFS算法对长作业有利，对短作业不利

短作业优先（SJF，Shortest Job First）

• 算法思想：追求最少的平均等待时间，最少的平均周转时间，最少的平均带权周转时间

• 算法规则：最短的作业/进程优先得到服务（所谓“最短”，是指要求服务时间最短）

• 用于作业/进程调度：既可用于作业调度，也可用于进程调度。用于进程调度时称为“短进程优先（SPF，Shortest Process First）算法”

• 是非抢占式的算法，但是也有抢占式的版本——最短剩余时间优先算法（SRTN，Shortest Remaining Time Next）

非抢占式的短作业优先算法

抢占式的短作业优先算法（最短剩余时间优先算法SRTN）

• 注意几个小细节：

1. 如果题目未明确说明，所提到的“短作业/进程优先算法”默认是非抢占式的

2. 严格来说“SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”这种说法是错误的，不严谨的。最短剩余时间优先算法得到的平均等待时间、平均周转时间还要更少。应该加上条件“在所有进程同时可运行时”或“所有进程几乎同时到达时”的前提条件才准确。或者说“抢占式的短作业/进程优先调度算法（即最短剩余时间有限SRNT算法）的平均等待时间、平均周转时间最少）

3. 如果选择题中遇到“SJF算法的平均等待时间、平均周转时间最少”的选项，那最好判断其他选项是否有很明显的错误，如果没有更合适的选项，也应该选择该项

• 短作业优先算法的优缺点

• 优点：“最短的”平均等待时间、平均周转时间

• 缺点：不公平。对短作业有利，对长作业不利。可能产生饥饿现象。另外，作业/进程的运行时间是由用户提供的，并不一定真实，不一定能做到真正的短作业有限

• 会导致饥饿，如果源源不断地有短作业/进程到来，可能使长作业/进程长时间得不到服务，产生“饥饿”现象。如果一直得不到服务，则称为“饿死”

高响应比优先算法（HRRN）

FCFS对每次调度时选择一个等待时间最长的作业（进程）服务，但是没有考虑到作业的运行时间，对短作业不友好；SJF选择一个执行时间最短的作业为其服务，但是又完全不考虑各个作业的等待时间，因此导致了对长作业不友好的问题，甚至可能造成饥饿。因此推出了高响应比优先算法。

• 算法思想：要综合考虑作业/进程的等待时间和要求服务的时间

• 算法规则：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。响应比=\frac{等待时间+要求服务时间}{要求服务时间}

• 用于作业/进程调度：既可用于作业调度，也可用于进程调度

• 非抢占式的算法。因此只有当前运行的作业/进程主动放弃处理机时，才需要调度，才需要计算响应比

• 优点：综合考虑了等待时间和运行时间（要求服务时间）等待时间相同时，要求服务时间短的优先（SJF的优点）要求服务时间相同时，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

先来先服务、短作业优先、高响应比优先算法都只适用于早期的批处理系统。适用于交互式系统的调度算法见下文

时间片轮转调度算法

• 算法思想：公平地、轮流地为各个进程服务，让每个进程在一定时间间隔内都可以得到响应

• 算法规则：按照各个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

• 用于作业/进程调度：用于进程调度（只有作业放入内存建立了相应的进程后，才能被分配处理机时间片

• 若进程未能在时间片内运行完，将被强行剥夺处理机使用权，因此时间片轮转调度算法属于抢占式的算法。由时钟装置发出时钟中断通知CPU时间片已到

• 如果时间片太大，使得每个进程都可以在一个时间片内完成，则时间片轮转调度算法退化为先来先服务调度算法，并且会增大程序响应时间。因此时间片不能太大

• 如果时间片太小，进程调度、切换是有时间代价的（保护、恢复运行环境），进程切换过于频繁，系统会花大量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。

• 时间片轮转调度算法的优缺点：

1. 优点：公平、响应快，适用于分时响应系统

2. 缺点：由于高频率的进程切换，因此有一定的开销；不区分任务的紧急程度

• 不会导致饥饿

优先级调度算法

• 算法思想：随着实时操作系统的出现，越来越多的应用场景需要根据任务的紧急程度来决定处理顺序

• 算法规则：每个作业/进程都有各自的优先级，调度时选择优先级最高的作业/进程

• 用于作业/进程调度：既可用于作业调度，也可用于进程调度，甚至可以用于之后学习的IO调度中

• 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

非抢占式优先级调度算法

抢占式优先级调度算法

• 补充：

• 就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织。另外，也可以把优先级高的进程排在更靠近队头的位置

• 根据优先级是否可以动态改变，可以将优先级分为静态优先级和动态优先级两种静态优先级：创建进程时确定，之后一直不变动态优先级：创建进程时有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级。比如，如果某进程在就绪队列中等待了很长时间，则可以适当提升其优先级；如果某进程占用处理机运行了很长时间，则可适当降低其优先级

• 通常系统进程优先级高于用户进程；前台进程优先级高于后台进程；操作系统更偏好IO型进程（或IO繁忙型进程）与IO型进程相对的是计算型进程（或称CPU繁忙型进程），IO设备和CPU可以并行工作，如果让IO繁忙型进程优先运行的话，则越有可能让IO设备尽早投入工作，则资源利用率、系统吞吐量都会得到提升

• 优先级调度算法的优缺点：

1. 优点：用优先级区分紧急程度、重要程度，适用于实时操作系统。可灵活地调整对各种作业/进程的偏好程度

2. 缺点：若源源不断地有高优先级进程到来，则可能导致饥饿

多级反馈队列调度算法

• 算法思想：对其他调度算法的折中权衡

• 算法规则：

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

• 用于进程调度

• 抢占式的算法。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

• 优点：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以完成（SPF的优先）；不必实现估计进程的运行时间（避免用户作假）；可灵活地调整各类进程的偏好程度，比如CPU密集型进程、IO密集型进程（拓展：可以将因IO而阻塞的进程重新放回原队列，这样IO型进程就可以保持较高优先级）

• 有可能导致饥饿

多级队列调度算法