第二章 处理机调度
- 一、处理机调度的概念、层次
- 二、进程调度的时机、切换与过程、方式
- 个人见解：
- 三、调度算法的评价指标
- 四、FCFS、SJF、HRRN调度算法
- 五、调度算法：时间片轮转、优先级、多级反馈队列
一、处理机调度的概念、层次
在多道程序系统中，进程的数量往往是多于处理机的个数的，这样不可能同时并行地处理各个进程。
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。
调度的三个层次：
1.高级调度（作业调度）- 辅存（外存）与内存之间的调度
按一定的原则从外存中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。
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）- 决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。
引入虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调至外存等待。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。
目的是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。
挂起态又可以分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态
PCB并不会一起调到外存，而是常驻内存。
被挂起的PCB会被放到挂起队列中。
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。
3.低级调度（进程调度）
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。
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
频率很高。
一般几十毫秒一次
二、进程调度的时机、切换与过程、方式
1.进程调度的时机：
（1）当前运行的进程主动放弃处理机：
1-进程正常终止
2-运行过程中发生异常而终止
3-进程主动请求阻塞（如等待I/O)
（2）当前运行的进程被动放弃处理机：
1-分给进程的时间片用完
2-有更紧急的事需要处理（如I/o中断)
3-有更高优先级的进程进入就绪队列
（3）不能进行进程调度与切换的情况：
1-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。
2-进程在操作系统内核程序临界区中。
3-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）
进程在操作系统 内核程序 临界区中不能进行调度与切换
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)
2.进程调度的方式
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)
进程切换是有代价的。
注意: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。
个人见解：
进程调度的时机理解理解就能记住了
1.什么时候进行进程调度，当然是上一个进程要切换为下一个进程的时候，才需要操作系统来进行进程调度。
当上一进程正常终止或异常终止时，或者上一进程要等待I/O 会主动放弃处理机；
当分给上一进程的时间片用完了，或者有更紧急的任务要处理，或有更高优先级的进程就绪，上一进程只能被迫放弃处理机；
有紧急任务要处理这个被插队可以理解，但是为什么它优先级高就要插在我前面，不能等我运行完吗？还有没有进程权了！
网上只搜到了实时进程被另外一个具有更高实时优先级的实时进程抢占，抢占这个词就很形象了。
2.那么什么时候不能进行进程调度：
首先想到原语，这个原子操作具有原子性，运行时要一气呵成，不能被中断；
然后是中断过程（中断参考第一章），中断的本质是发生中断意味着需要操作系统介入，操作系统都介入处理了，要是再进行进程切换，这不就是我切我自己？
最后一个是进程在操作系统 内核程序 临界区中时不能进行进程切换。
先回顾一下：首先临界资源是正被其他进程访问的资源，临界区是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)
为什么进程在操作系统 内核程序 临界区中时不能进行进程切换？
因为进程在操作系统 内核程序 临界区中时，它访问的内核程序临界资源被上锁着，而进程调度需要访问这些资源，访问不到，所以不能进行进程切换。
而某进程处于某普通临界区时，其他进程若要访问都需要等待，这样如果不进行进程调度，空等会浪费CPU，
所以要进行进程调度，这些等待的进程会进入阻塞态。
3.进程调度的方式
非剥夺调度方式（非抢占方式）：只允许进程主动放弃处理机。
·早期的批处理系统，没法处理紧急任务
剥夺调度方式（抢占方式）：
·分时操作系统、实时操作系统，可以优先处理紧急任务，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）
4.进程的调度和切换是有代价的！
三、调度算法的评价指标
1.CPU利用率：CPU处于“忙碌”的时间占总时间的比例
CPU利用率 = 忙碌的时间 / 总时间
多道程序并发执行 - 甘特图 辅助计算
2.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 / 总共花了多长时间
3.周转时间：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生执行的时间、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。
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 / 作业实际运行时间
平均带权周转时间 = 各作业带权周转时间 / 作业数
带权周转时间 >= 1
带权周转时间 与 周转时间 越小越好
3.等待时间：作业处于等待处理机状态时间之和
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.
4.响应时间：从用户提交请求到首次产生响应所用的时间
四、FCFS、SJF、HRRN调度算法
1.先来先服务FCFS
2.短作业优先SJF
非抢占式的短作业优先：每次调度时选择当前已到达且运行时间最短的作业
抢占式的短作业优先（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。
3.高响应比优先HRRN
响应比 = 等待时间+要求服务时间 / 要求服务时间
响应比 >= 1
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。
五、调度算法：时间片轮转、优先级、多级反馈队列
时间片轮转
优先级
多级反馈队列
这些算法需要自己好好理解记忆
