小白莲的操作系统day04-2.2

处理机调度：概念、层次

处理机调度

知识总览

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。

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。处理及调度，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。

调度的三个层次–高级调度

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问题，因为只有调入的时机需要操作系统来确定，但调出的时机必然是作业运行结束才调出。

调度的三个层次–中级调度

引入了虚拟存储技术后，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），就是要决定将那个处于挂起状态的进程重新调入内存。

补充知识：进程的挂起状态与七状态模型

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：

调度的三个层次–低级调度

低级调度（进程调度），其主要任务是按照某种方法和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。

三层调度的联系、对比

知识回顾与重要考点

进程调度的时机、切换与过程调度方式

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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。

进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换。（对）
（2012年联考真题）进程处于临界区时不能进行处理机调度（错）

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）。

进程调度的方式

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减低，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。

知识回顾与重要考点

调度算法的评价指标

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CPU利用率

由于早期的CPU造价极其昂贵，因此人们会希望让CPU尽可能多地工作。

CPU利用率：指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例。

系统吞吐量

对于计算机来说，希望能用尽可能少的时间处理完尽可能多的作业。

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量。

周转时间

对于计算机的用户来说，他更关心自己的作业从提交到完成花了多少时间。
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程序调度（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。

等待时间

计算的用户希望自己的作业尽可能少的等待处理机
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I/O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。

一个作业总共需要被CPU服务多久，被I/O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。

响应时间

对于计算机用户来说，会希望自己的提交的请求（比如通过键盘输入了一个调试命令）尽早的开始被系统服务、回应。

响应时间，指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。

知识回顾与重要考点

调度算法

先来先服务
最短作业优先
最高响应比优先

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Tips:各种调度算法的学习思路
1.算法思想
2.算法规则
3.这种调度算法是用于 作业调度 还是 进程调度？
4.抢占式？非抢占式？
5.优点和缺点
6.是否会导致饥饿（某进程/作业长期得不到服务）

先来先服务（FCFS）

短作业优先（SJF）

对FCFS和SJF两种算法的思考

高响应比优先（HRRN）

知识回顾与重要考点

调度算法2

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时间片轮转（Round-Robin）

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。

一般来说，设计时间片时要让切换进程的开销占比不超过1%

优先级调度算法

思考

多级反馈队列调度算法

知识回顾与重要考点