【操作系统】处理机调度的基本概念和三个层次、进程调度的时机和方式、调度器、闲逛线程

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石可破也，而不可夺坚；丹可磨也，而不可夺赤。

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一、处理机调度基本概念

• 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。

二、处理机调度的三个层次

2.1 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）
• 简化理解：好几个程序需要启动，到底先启动哪个
• 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。

2.2 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）一一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

2.2.1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

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• 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。

2.3 低级调度（进程调度）

• 低级调度（进程调度/处理机调度）一一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。

三、三层调度的联系、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–> 内存（面向作业）	最低	无–>创建态–>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–> 内存（面向进程）	中等	挂起态–>就绪态（阻塞挂起–>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–>CPU	最高	就绪态–>运行态

四、进程调度

4.1 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为其分配处理机。
• 需要进行进程调度与切换的情况：
• • 1.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/O)
• • 2.当前运行的进程被动放弃处理机
• • • 分给进程的时间片用完
• • • 有更紧急的事需要处理（如/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情况：
• 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。
• 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，要一气呵成（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)

4.1.1 进程调度的方式

4.1.1.1 非剥夺式调度（非抢占式）

• 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

4.1.1.2 剥夺式调度（抢占式）

• 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

4.2 进程调度的切换与过程

• “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：
• • 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。

五、调度器/调度程序(scheduler)

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5.1 调度时机一一什么事件会触发“调度程序”？

• 创建新进程
• 进程退出
• 运行进程阻塞
• I/O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

5.2闲逛线程

• 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