【操作系统】进程管理（三）—— 进程调度调度的概念、层次进程调度的切换与过程调度算法的评价指标调度算法

调度的概念、层次

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

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）。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。

简化理解：内存空间有限，有时无法将用户提交的作业全部放入内存。好几个程序需要启动，到底先启动哪个。

调度的三个层次 —— 中级调度

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。

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。

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。

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。

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。

三层调度的联系、对比

进程调度的切换与过程

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。

调度算法的评价指标

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。

Eg：某计算机只支持单道程序，某个作业刚开始需要在CPU上运行5秒，再用打印机打印输出5秒，之后再执行5秒，才能结束。在此过程中，CPU利用率、打印机利用率分别是多少？

答案：

CPU利用率 = （5+5）/（5+5+5） = 66.66%
打印机利用率 = 5/15 = 33.33%

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。

某计算机系统处理完10道作业，共花费100秒，则系统吞吐量为？
答案：10/100 = 0.1 道/秒

周转时间

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
待进程调度（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。

带权周转时间必然 ≥ 1；带权周转时间与周转时间都是越小越好。

• 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。

等待时间

计算机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）尽早地开始被系统服务、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。

调度算法

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）

算法思想：主要从“公平”的角度考虑（类似于我们生活中排队买东西的例子）。

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。

是否可抢占：非抢占式的算法

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。

是否会导致饥饿：不会

最短作业优先（SJF）

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：即可用于作业调度，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”。

是否可抢占？：SJF和SPF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）。

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优先。

是否会导致饥饿 ：会。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”。

• 如果题目中未特别说明，所提到的“短作业/进程优先算法”默认是非抢占式的。
• 在所有进程同时可运行时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少。

最高响应比优先（HRRN）

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。

用于作业/进程调度：即可用于作业调度，也可用于进程调度。

是否可抢占？：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。

优缺点
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。

是否会导致饥饿：不会。

注：这几种算法主要关心对用户的公平性、平均周转时间、平均等待时间等评价系统整体性能的指标，但是不关心“响应时间”，也并不区分任务的紧急程度，因此对于用户来说，交互性很糟糕。因此这三种算法一般适合用于早期的批处理系统，当然，FCFS算法也常结合其他的算法使用，在现在也扮演着很重要的角色。而适合用于交互式系统的调度算法。

时间片轮转（RR, Round-Robin）

优先级调度算法

多级反馈队列调度算法

最后

以上就是跳跃毛衣为你收集整理的【操作系统】进程管理（三）—— 进程调度调度的概念、层次进程调度的切换与过程调度算法的评价指标调度算法的全部内容，希望文章能够帮你解决【操作系统】进程管理（三）—— 进程调度调度的概念、层次进程调度的切换与过程调度算法的评价指标调度算法所遇到的程序开发问题。

如果觉得靠谱客网站的内容还不错，欢迎将靠谱客网站推荐给程序员好友。