一、处理机调度的本概念和层次

处理机调度，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。

1、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的问题，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。

2、中级调度（内存调度）

就是要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。

关于挂起状态

引入了虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调制外存等待。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系统吞吐量。

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。

七状态模型

3、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

二、进程调度的时机、切换与过程、方式

1、进程调度的时机

进程调度，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。

①需要进行进程调度和切换的情况

• 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I/O)
• 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 I/O中断）
  • 有更高优先级的进程进入就绪队列

②不能进行进程调度和切换的情况

• 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，要一气合成（如修改PCB中年进程状态标志，并把PCB放到相应队列）

临界区

进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与转换 √

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时用来访问某种内核数据结构的，比如进程的就绪队列（由各就绪队列的PCB组成）

2、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，知道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，适合用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。

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

3、进程的切换与过程

狭义的进程调度 指的是 从就绪队列中选中一个要运行的坚持

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）

进程切换是有代价的，因此如果过于频繁的进程进程调度、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

三、调度算法的评价指标

1、CPU利用率

CPU利用率：指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例

利用率 = 忙碌的时间/总时间

例：

2、系统吞吐量

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量

系统吞吐量= 总共完成了多少道作业 / 总共花了多少时间

例：

3、周转时间

周转时间： 指从作业被交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。

周转时间包括四个部分：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。(后三种可能重复出现)

（作业）周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间

平均周转时间 = 各作业周转时间之和 / 作业数

带权周转时间 = 作业周转时间 / 作业实际运行的时间 = （作业完成时间 - 作业提交时间）/ 作业实际运行的时间 【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】

平均带权周转时间 = 各作业带权周转时间之和 / 作业数

4、等待时间

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的时间，还要加上作业在外存后备队列中等待的时间。

5、响应时间

响应时间，指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。

四、批处理系统调度算法

学习框架

1、先来先服务（FCFS)

①算法思想

主要从公平的角度考虑

②算法规则

按照作业/进程到达的先后顺序进行服务

③用于作业/进程调度

用于作业调度时，考虑的是哪个作业先达到后备队列；

用于进程调度时，考虑的是哪个进程先到达就绪队列；

④是否可抢占？

非抢占式的算法

⑤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

⑥是否会导饥饿

不会

饥饿 ：某进程/作业长期得不到服务

例

2、短作业优先（SJF)

①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

②算法规则

最短的作业/进程优先得到服务（最短，是指要求服务时间最短

③用于作业/进程调度

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

④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——最短剩余时间有限算法（SRTN,Shortest Remaining Time Next）

非抢占式

每次调度时选择当前已到达且运行时间最短的作业/进程

例：

抢占式

最短剩余时间有限算法：每当有进程加入就绪队列就需要调度，如果新到达的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短，则由新进程抢占处理机，当前运行进程重新回到就绪队列。另外，当一个进程完成时也需要调度

几个tip

1. 如果题目未特别说明，所提到的“短作业/进程优先算法”默认是非抢占式的

2. 

   

⑤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，不一定能耐做到真正的短作业优先

⑥是否会导致饥饿

会

3、高响应比有限（HRRN)

即考虑到各个作业的等待时间，也兼顾运行时间

①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

②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 = （等待时间 + 要求服务时间) / 要求服务时间

③用于作业/进程调度

即可用于作业调度，也可用于进程调度

④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

⑤优缺点

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

要求服务时间相同时，等待时间长的优先

对于长作业来说，随着等待时间越来越就久，其响应比也会越来越大，从而避免了长作业饥饿的问题

⑥是否会导致饥饿

不会

例：

对比

这三种算法适用于早期的批处理系统，不关心响应时间，也不区分任务的紧急程度

五、交互式系统调度算法

1、时间片轮转调度算法

①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

②算法规则

按照各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。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。

③用于作业调度还是进程调度

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）

④抢占式？非抢占式

抢占式

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。由始终装置发出时钟中断来通知CPU时间片已到

⑤优缺点

优点：公平；响应快，适用于分时操作系统

缺点：由于高频率的进程切换，因此有一定开销；不区分任务的紧急程度

⑥是否会导致饥饿

不会

例：

分时操作系统更注重响应时间，不计算周转时间

时间片大小为2

注意时刻7 P3进程完成主动放弃处理机

时间片大小为5

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。

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。

时间片轮转调度算法可以让各个进程得到及时的响应

2、优先级调度

①算法思想

随着计算机的发展，特别是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

②算法规则

每个作业/进程有各自的优先级，调度时选择优先级最高的作业/进程

③用于作业调度还是进程调度

即可用于作业调度，也可用于进程调度。也会用于I/O调度

④抢占式？非抢占式

都有。区别在于：非抢占式只需在进程主动放弃处理机进行调度即可；抢占式还需在就绪队列变化时，检查是否会发生抢占

⑤优缺点

优点：用优先级区分紧急程度、重要程序，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

缺点：若源源不断地有高优先级进程到来，则可能导致饥饿

⑥是否会导致饥饿

会

例：

非抢占式

抢占式

相比非抢占式，在就绪队列发生改变时也需要检查是否会发生抢占

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，也可以把优先级更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

优先级调度算法可以灵活地调整各种进程被服务的机会

3、多级反馈队列调度算法

①算法思想

对其他调度算法的这种权衡

②算法规则

• 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
• 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
• 只有第k级队列为空时，才会为k+1级对头的进程分配时间片

③用于作业调度还是进程调度

用于进程调度

④抢占式？非抢占式

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

⑤优缺点

优点

• 对各类型进程相对公平；
• 每个新到达的进程都可以很快得到响应；
• 短进程只用较少的时间就可完成；
• 不必实现估计进程的运行时间；
• 可灵活地调整对各类进程的偏好程度，比如CPU密集型，I/O密集型进程（拓展：可以将因I/O而阻塞的进程重新放回原队列，这样I/O型进程就可以保持较高优先级）；

⑥是否会导致饥饿

会

例：

具体过程看视频链接

比较