6. 进程的调度
1. 调度的概念
当有一堆任务需要处理的时候，但由于资源有限，这些事情没发同时处理。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
2. 调度的三个层次
2.1 高级调度
先明确一个概念：
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选择一个作业调入内存，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
好几个程序需要启动，到底先启动哪个
2.2 中级调度
当内存不够时，可能会把某些进程的数据调出到外存。等内存空闲时或者进程需要运行时再重新调入内存中
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）：按照某种策略决定将哪个处于挂起的进程重新调入内存。一个进程可能多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度高
补充知识：进程的挂起态 & 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）
挂起态可以分为就绪挂起、阻塞挂起两种
挂起 & 阻塞 区别
两种都是不能获得 CPU 的服务，但是挂起态是将进程从内存调出到外存中，而阻塞态的进程依然在内存中
有的操作系统会把就绪挂起和阻塞挂起分为两个队列，甚至可以根据阻塞的原因将阻塞队列细分为更多的队列
2.3 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（内存 -> CPU）
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。
2.4 三种调度的联系 & 对比
3. 进程调度的时机
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
有更紧急的事情需要处理（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请况
在处理机中断的过程中。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，要一起呵成
4. 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急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进程
可以优先处理更紧急的进程，也可以实现让各进程按时间片轮询执行的功能（通过时钟中断）。适合于分时系统、实时系统
5. 进程的切换 & 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
6. 调度算法的评价指标
6.1 CPU 利用率
CPU 利用率：指 CPU “忙碌” 的时间占总时间的比例
6.2 系统吞吐量
系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量
6.3 周转时间
对于计算机的用户来说，他很关心自己的作业从提交到完成花了多少时间
周转时间：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
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。后三项在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次
6.4 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
6.5 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
7. 调度算法
各种调度算法研究思路：
算法思想
算法规则
这种调度算法是用于 作业调度 还是 进程调度
抢占式？非抢占式？
优点 & 缺点
是否会导致饥饿（某进程 / 作业长期得不到服务）
无交互
有交互
8. 先来先服务（FCFS）
算法思想：主要从 “公平” 的角度考虑（类似生活中排队买东西）
算法规则：按照作业 / 进程达到的先后顺序进行调度，等待时间越久的就越优先得到服务
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（Eg ：排队买奶茶…）
是否会导致饥饿：不会
例子
9. 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”
细节
如果未特别说明，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
例子（SJF）
短作业/进程优先调度算法：每次调度时选择当前已到达且运行时间最短的作业/进程
例子（SRTN）
最短剩余时间优先算法：每当有进程加入就绪队列改变时就需要调度，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
10. 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：既可用于作业调度，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
例子
高响应比优先算法：非抢占式的调度算法，只有当前运行的进程主动放弃CPU时（正常/异常完成，或主动阻塞），才需要进行调度，调度时计算所有就绪进程的响应比，选响应比最高的进程上处理机
11. 时间片轮转调度算法（RR）
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
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（如 100 ms）。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
用于作业 / 进程调度：只用于进程调度（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）
是否可抢占：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
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
是否会导致饥饿： 不会
时间片太大或太小分别有什么影响？
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
例子
12. 优先级调度算法
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
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
用于作业 / 进程调度：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
是否可抢占：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
优缺点：
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
是否会导致饥饿： 会
重点：
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
如何合理设置各类进程的优先级？
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（I/O 繁忙型进程）
I/O设备和CPU可以并行工作。如果优先让I/O繁忙型进程优先运行的话，则越有可能让I/O设备尽早地投入工作，则资源利用率、系统吞吐量都会得到提升
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
例子（非抢占式）
例子（抢占式）
13. 多级反馈队列调度算法
算法思想：对其他调度算法的折中权衡
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 级队头的进程分配时间片
用于作业 / 进程调度：用于进程调度
是否可抢占：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：
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/0 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： 会
例子
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