<Operating System>进程调度

在多道程序环境下，进程数目往往多于处理机数目，致使它们争用处理机。这就要求系统能按某种算法，动态地把处理机分配给就绪队列中的一个进程，使之执行。分配处理机的任务是由进程调度程序完成的。

三级调度

一个作业从提交开始直到完成，往往要经历下述三级调度：

• 高级调度：又称为作业调度或宏观调度。其主要功能是根据一定的算法，从输入的一批任务（作业）中选出若干个作业(从磁盘的作业后备队列中选择作业调入内存)，分配必要的资源并建立与作业相对应的进程，如内存、外设等，为它建立相应的用户作业进程和为其服务的系统进程（如输入/输出进程），最后把它们的程序和数据调入内存，等待进程调度程序对其执行调度，并在作业完成后作善后处理工作。
• 中级调度：又称为中程调度，引入中级调度的主要目的是为了提高内存的利用率和系统的吞吐量。内存中不能有太多的进程，把进程从内存移到外存，当内存有足够空间时，再将合适的进程换入内存，等待进程调度。中级调度实际上就是存储器管理中的对调功能。
• 低级调度：又称为进程调度、短程调度，它决定就绪队列中的哪个进程将获得处理机，然后由分派程序执行把处理机分配给该进程的操作。在批处理，分时，实时三类系统中，进程调度必须被配置，因而是一种最基本的调度。

低级调度的功能：

• 保存处理机的现场信息
• 按某种算法选取进程
• 把处理器分配给进程

在上述三个调度中，低级调度是各类操作系统必备的功能。在纯粹的分时操作系统或实时操作系统中，通常不需要高级调度。一般的操作系统都具有高级调度和低级调度。而功能完善的操作系统，为了提高系统主存的利用率和作业吞吐量，引进中级调度。

进程调度方式

• 非剥夺方式：分派程序一旦把处理机分配给某进程后便让它一直运行下去，直到进程完成或发生某事件而阻塞时，才把处理机分配给另一个进程。
• 剥夺方式：又称抢先式调度。当进程/线程正在处理器上运行时，系统可根据所规定的原则剥夺分配给此进程/线程的处理器，并将其移入就绪列队，选择其他进程/线程运行。有两种常用的处理器剥夺原则，一是高优先级进程/线程可剥夺低优先级进程/线程；二是当运行进程/线程的时间片用完后被剥夺，在动态改变进程/线程优先级的系统中，经常会出现这样的情况

 剥夺式的开销比非剥夺式的开销通常要大，很多操作系统适用两种策略结合使用的方式，内核关键程序是非剥夺式的，用户级别是剥夺式的。

进程调度算法

先来先服务(FCFS)

策略：该算法总是把处理机分配给最先进入就绪队列的进程，一个进程一旦分得处理机，便一直执行下去，直到该进程完成或阻塞时，才释放处理机。这是一种非剥夺式算法。

性能：算法容易实现，效率不高，只顾及作业等候时间，没考虑作业要求服务时间的长短，不利于短作业而优待了长作业。有利于CPU繁忙型作业而不利于I/O繁忙型作业。

短进程优先(SPF)

策略：该算法从就绪队列中选出“下一个CPU执行期”最短的进程，为之分配处理机。这是一种非剥夺式调度算法。

性能：算法易于实现，效率不高(相对于剥夺式算法)，弱点是需要预先知道进程所需的CPU时间，而这个时间只能靠估计，估计值很难精确，若估计过低，系统可能提前终止该进程。忽视了进程等待时间，会出现饥饿现象。由于缺少剥夺机制，对分时、实时处理很不理想。

最短剩余时间优先(SRT)

策略：把SJF算法改为抢占式的调度算法。当一个进程正在执行时，一个新进程进入就绪状态，如果新进程需要的CPU时间比当前正在执行的进程剩余下来还需的CPU时间短，SRT强行赶走当前正在执行进程。

性能：不像FCFS偏向长进程，也不像轮转法那样产生额外的中断，从而减少了开销。另一方面，它必须记录过去的服务时间，从而又增加了开销。从周转时间上看，较SPF有更好的性能。

最高响应比优先(HRN)

策略：同时考虑每个进程的等待时间长短和估计需要的执行时间长短，从中选出响应比最高的进程投入执行。

响应比R定义：

　　　　　　　　R=(W+T)/T=1+W/T

T——该进程估计需要的执行时间

W——进程在就绪队列中的等待时间

性能：吞吐量小于SPF。另外由于每次调度之前要计算响应比，系统开销也要相应增加。

最高优先权优先(FPF)

策略：该算法总是把处理机分配给就绪队列中具有最高优先权的进程。常用以下两种方法来确定进程的优先权：

• 静态优先级：在创建进程时确定的，在整个运行期间不再改变。依据有：进程类型、进程对资源的要求、用户要求的优先权。
• 动态优先级：基于某种原则，使进程的优先权随时间改变而改变。

轮转法(RR)

• 时间片轮转法：系统将所有就绪进程按FIFO规则排队，按一定的时间间隔把处理机分配给队列中的进程。这样，就绪队列中所有进程均可获得一个时间片的处理机而运行。
• 多级反馈轮转法：多级反馈队列方式是在系统中设置多个就绪队列，并赋予各队列以不同的优先权。

引起进程调度的原因

• 正在执行的进程执行完毕。这时，如果不选择新的就绪进程执行，将浪费处理机资源
• 执行中进程自己调用阻塞原语将自己阻塞起来进入睡眠等状态
• 执行中进程调用了P原语操作，从而因资源不足而被阻塞或调用了V原语操作激活了等待资源的进程队列
• 执行中进程提出I/O请求后被阻塞
• 在分时系统中时间片已经用完
• 在执行完系统调用等系统程序后返回用户进程时，这时可看作系统进程执行完毕，从而可调度选择一新的用户进程执行

以上都是在不可剥夺方式下的引起进程调度的原因。在CPU执行方式是可剥夺时，就绪队列中的某进程的优先级变得高于当前执行进程的优先级，从而也将引发进程调度。