2.2 调度 调度的 概念、层次
2.2 调度 调度的 概念、层次
三个层次
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高级调度(作业调度)
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中级调度(内存调度)
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低级调度（进程调度)
什么是调度？
就是决定优先为谁服务！比如同时面对一大堆普通客人和一个vip客人，当然后者优先
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。
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。【外存→内存，面向作业；无→创建态→就绪态】
简化理解：好几个程序需要启动，到底先启动哪个
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。
最基本的一种调度，频率很高，一般几十毫秒一次。
中级调度
内存不够时，将某些进程的数据调出外存【即挂起状态，被挂起的进程PCB会被组织成挂起队列，挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态】。等内存空闲或者进程需要运行时再重新调入内存。 【内存→外存，面向进程；挂起态→就绪态】
频率中等
进程的挂起态与七状态模型
调度时机 切换与过程 调度方式
- 时机
- 什么时候需要进程调度?
- 什么时候不能进行进程调度?
- 切换与过程
- “狭义的调度"与“切换"的区别
- 进程切换的过程需要做什么?
- 调度方式
- 非剥夺调度方式(非抢占式)
- 剥夺调度方式(抢占式)
调度时机
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
- 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
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）
进程调度的时机
进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换 √
（2012年联考真题）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。但是进程在普通临界区中是可以进行调度、切换的。
为何一个可以一个不可以？
如果还没退出临界区（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
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
- 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。在运行过程中即使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。并不是调度越频繁，并发度就越高
调度算法的评价指标
- CPU利用率
- 系统吞吐量
- 周转时间
- 周转时间、平均周转时间
- 带权周转时间、平均带权周转时间
- 等待时间
- 响应时间
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
利用率 = 忙碌的时间 / 总时间
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？
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
系统吞吐量= 总共完成了多少道作业/总共花了多少时间
Eg：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？ 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。
1.周转时间 = 作业完成时间 – 作业提交时间;对于用户来说，更关心自己的单个作业的周转时间
2.平均周转时间 = 各作业周转时间之和 / 作业数;对于操作系统来说，更关心系统的整体表现
但是，有的作业时间短，有的时间长，给人的感觉一定是不一样的
3.带权周转时间 = 作业周转时间 / 作业实际运行的时间
4.平均带权周转时间 = 各作业带权周转时间之和 作业数
所以，带权周转时间必然 ≥ 1，带权周转时间越小，咱体验越好就越高兴
等待时间
指进程/作业处于等待处理机状态时间之和
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
- 先来先服务FCFS、最短作业优先SFJ、最高响应比优先HRRN
- 时间片轮转、优先级调度、多级反馈队列
| 先来先服务 | 短作业优先 | 高响应比优先 | 时间片轮转 | 优先级调度 | 多级反馈队列调度 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 算法思想 | “公平”（类似于我们生活中排队买东 西的例子） | 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 | 要综合考虑作业/进程的等待时间和要求服务的时间 | 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 | 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 | 对其他调度算法的折中权衡 |
| 算法规则 | 先来先服务 | 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） | 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 | 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（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。 | 调度时选择优先级最高的作业/进程 | 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 | 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” | 可用于作业调度，也可用于进程调度 | 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） | 既可用于作业调度，也可用于进程调度。甚至，还会用于 在之后会学习的I/O调度中 | 用于进程调度\ |
| 是否可抢占？ | 非抢占式 | 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） | 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 | 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 装置发出时钟中断来通知CPU时间片已到 | 抢占式、非抢占式都有。做题时的区别在于：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。 | 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 | 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 | 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 | 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。 | 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。 缺点：若源源不断地有高优先级进程到来，则可能导致饥 饿 | 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完成 （SPF的优点）；不必实现估计进程的运行时间（避免用户作假）； 可灵活地调整对各类进程的偏好程度，比如CPU密集型进程、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） |
| 是否会导致饥饿 | 不会 | 会 | 不会 | 不会 | 会 | 会 |
先来先服务（FCFS, First Come First Serve）
- 周转时间 = 完成时间 - 到达时间 —— P1=7-0=7；P2=11-2=9；P3=12-4=8；P4=16-5=11
- 带权周转时间 = 周转时间/运行时间 —— P1=7/7=1；P2=9/4=2.25；P3=8/1=8；P4=11/4=2.75
- 等待时间 = 周转时间 – 运行时间 —— P1=7-7=0；P2=9-4=5；P3=8-1=7；P4=11-4=7
注意：本例中的进程都是纯计算型的进程，一个进程到 达后要么在等待，要么在运行。如果是又有计算、又有 I/O操作的进程，其等待时间就是周转时间 - 运行时间 - I/O操作的时间
短作业优先（SJF, Shortest Job First）
- 周转时间 = 完成时间 - 到达时间 —— P1=7-0=7；P3=8-4=4；P2=12-2=10；P4=16-5=11
- 带权周转时间 = 周转时间/运行时间 —— P1=7/7=1；P3=4/1=4；P2=10/4=2.5；P4=11/4=2.75
- 等待时间 = 周转时间 – 运行时间 —— P1=7-7=0；P3=4-1=3；P2=10-4=6；P4=11-4=7
抢占式的短作业优先算法 又称“最短剩余时间优先 算法（SRTN）”
对比非抢占式的短作业优先算法，显 然抢占式的这几个指标又要更低【平均周转时间:平均带权周转日平均等待时间:】
注意几个小细节：
- 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
- 很多书上都会说“SJF 调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”
严格来说，这个表述是错误的，不严谨的。之前的例子表明，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
应该加上一个条件“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”；
或者说“在所有进程都几乎同时到达时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”；
如果不加上述前提条件，则应该说“抢占式的短作业/进程优先调度算法（最短剩余时间优先, SRNT算
法）的平均等待时间、平均周转时间最少” - 虽然严格来说，SJF的平均等待时间、平均周转时间并不一定最少，但相比于其他算法（如 FCFS），
SJF依然可以获得较少的平均等待时间、平均周转时间 - 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
是不是有很明显的错误，如果没有更合适的选项，那也应该选择该选项
能不能设计一个算法，即考虑到各个作业 的等待时间，也能兼顾运行时间呢？ 高响应比优先算法
高响应比优先算法
响应比 = 等待时间+要求服务时间/要求服务时间
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将在下个小节介绍…
时间片轮转（RR, Round-Robin）
其中，时间为4的时候，运行p1而不是p3
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
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。
如何合理地设置各类进程的优先级？
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 I/O型进程（或称 I/O繁忙型进程） 注：与I/O型进程相对的是计算型进程（或称 CPU繁忙型进程）
如果采用的是动态优先级，什么时候应该调整？
可以从追求公平、提升资源利用率等角度考虑 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 如果发现一个进程频繁地进行I/O操作，则可适当提升其优先级
多级反馈队列调度算法
FCFS算法的优点是公平、SJF 算法的优点是能尽快处理完短作业， 平均等待/周转时间等参数很优秀、时间片轮转调度算法可以让各个进程得 到及时的响应、优先级调度算法可以灵活地调整各种进 程被服务的机会，能否对其他算法做个折中权衡？得到一个 综合表现优秀平衡的算法呢？
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。如果此时已经在最下级的队列，则重新放回最下级 队列队尾 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 被抢占处理机的进程重新放回原队列队尾
注：比起早期的批处理操作系统来说，由于计算机造价大幅降低，因此之后出现的交互式操作系统（包括 分时操作系统、实时操作系统等）更注重系统的响应时间、公平性、平衡性等指标。而后三种算法刚好非常适合，适合用于交互式系统。（比如UNIX使用的就是多级反馈 队列调度算法）
