进程调度是操作系统核心功能之一，指**按一定策略从就绪队列中选择进程并分配CPU资源**的过程-优快云博客

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进程调度是操作系统核心功能之一，指按一定策略从就绪队列中选择进程并分配CPU资源的过程。其核心目标是提高系统效率、响应速度和资源利用率。

2. 调度层次

高级调度（作业调度）：决定哪些作业载入内存进入就绪状态。
中级调度（内存调度）：管理进程的换入/换出，平衡内存与CPU资源。
低级调度（CPU调度）：实际分配CPU给就绪进程，是最频繁的调度操作。

二、进程调度目标

目标类型	具体指标	适用场景
公平性	避免进程饥饿，均衡分配资源	多用户系统
效率	CPU利用率（尽量接近100%）	服务器系统
响应速度	缩短平均响应时间	交互式系统（如桌面OS）
吞吐量	单位时间完成进程数	批处理系统
周转时间	进程从提交到完成的总时间	批处理任务

三、调度算法分类及原理

1. 非抢占式算法（进程一旦获得CPU则运行至结束）

先来先服务（FCFS）
- 原理：按就绪顺序分配CPU，先到先执行。
- 示例：若进程A（运行5s）先就绪，进程B（运行3s）后就绪，则总周转时间为5+（5+3）=13s。
- 缺点：长进程会导致短进程等待时间过长（“ convoy effect”）。
短作业优先（SJF）
- 原理：优先选择运行时间最短的进程。
- 优点：理论上可最小化平均周转时间。
- 缺点：需预知进程运行时间，可能导致长进程饥饿。

2. 抢占式算法（可强制剥夺CPU资源）

时间片轮转（RR）
- 原理：为每个进程分配固定时间片（如10ms），超时则切换至下一个进程。
- 关键：时间片过短会增加切换开销，过长则退化为FCFS。
- 适用：交互式系统（如Windows、Linux桌面）。
优先级调度
- 原理：按进程优先级（静态/动态）分配CPU，高优先级进程优先执行。
- 动态优先级：进程等待时间越长，优先级越高（避免饥饿）。
最高响应比优先（HRRN）
- 公式：响应比 =（等待时间+运行时间）/ 运行时间
- 特点：兼顾短进程（运行时间短）和长等待进程（等待时间长）。

3. 实时调度算法

硬实时调度：必须严格满足截止时间（如航天器控制），常用“最早截止时间优先（EDF）”。
软实时调度：允许偶尔超时（如视频播放），常用“速率单调调度（RMS）”。

四、调度实现机制

1. 进程切换过程

保存当前进程上下文（寄存器、PC值等）至PCB（进程控制块）。
更新进程状态（从运行→就绪/阻塞）。
选择下一个运行进程。
恢复新进程的上下文并加载至CPU。

2. 关键数据结构

就绪队列：存放就绪进程的链表/数组。
PCB：记录进程状态、优先级、运行时间等信息。

五、实际系统中的调度（以Linux为例）

CFS（完全公平调度器）
- 核心：基于“虚拟运行时间”分配CPU，优先级高的进程虚拟时间增长慢，获得更多运行机会。
- 优势：兼顾公平性与效率，适用于多任务环境。

六、总结

调度算法无“最优解”，需根据场景选择（如实时系统用EDF，交互式系统用RR）。
现代OS多采用混合策略（如Linux CFS结合优先级与公平性）。

脑图结构（核心框架）

## **进程调度基础**
- 定义：CPU资源分配策略
- 调度层次：高级/中级/低级
- 核心目标：公平/效率/响应速度
## **调度算法**
- 非抢占式
  - FCFS
  - SJF
- 抢占式
  - RR
  - 优先级调度
  - HRRN
- 实时调度
  - EDF
  - RMS
## **实现与应用**
- 进程切换流程
- Linux CFS调度器

1 研究背景
进程调度（Process Scheduling）是操作系统内核最核心的子系统之一，它直接决定 CPU 利用率、系统响应时间、吞吐量和功耗表现。随着多核、众核、异构计算、容器与云原生的普及，调度器的设计目标从单纯“最大化 CPU 利用率”扩展到“兼顾公平、能耗、实时性、安全与可观测性”。

2 关键概念速查
• 进程 vs 线程 vs 任务：Linux 把可调度实体称为 task；用户态常说“进程/线程”。
• 调度类（Scheduling Class）：Linux 用 modular 方式实现多种策略，如 CFS、RT、DL、Idle、Stop。
• 调度策略（Policy）：SCHED_OTHER、SCHED_FIFO、SCHED_RR、SCHED_DEADLINE、SCHED_BATCH、SCHED_IDLE。
• 优先级：静态优先级（nice）、动态优先级（prio）、实时优先级（0-99）、deadline 参数（runtime/deadline/period）。
• CPU 拓扑：SMT、NUMA、Die、Cluster、大小核（big.LITTLE）。
• 抢占：自愿（yield）、用户抢占、内核抢占（CONFIG_PREEMPT）、完全抢占实时补丁（PREEMPT_RT）。

3 主流算法与评价维度
3.1 单核经典算法
FCFS、SJF、SRTF、RR、优先级、多级反馈队列（MLFQ）。
3.2 多核算法
• 全局 vs 分区 vs 混合
• 负载均衡（load balance）
• 能耗感知（Energy Aware Scheduling，EAS）
• NUMA 迁移
3.3 实时算法
• 固定优先级：RM、DM
• 动态优先级：EDF、LLF
• 多核实时：G-EDF、P-EDF、C-EDF、RUN、LITMUS^RT
3.4 评价维度
CPU 利用率、响应时间、周转时间、公平性、实时可调度性、功耗、抖动、上下文切换开销、锁竞争。

4 Linux 调度器演进史
1.2 → 2.4（O(n)）→ 2.6（O(1)）→ CFS（2.6.23，2007）→ RT/DL → EAS → SCHED_EXT（BPF 调度器，2023）。
CFS：基于红黑树，虚拟运行时间 vruntime；RT：bitmap + 双队列；DL：Earliest Deadline First + 带宽控制；EAS：Energy Model + 小核优先；SCHED_EXT：用户空间可编程调度器。

5 云原生与容器场景
• cgroups CPU 子系统：cpu.shares、cpu.cfs_quota_us、cpu.rt_runtime_us。
• Kubernetes：CPU request/limits → CFS quota；实时容器可用 CPU Manager + Topology Manager。
• Serverless：burst & idle 场景，冷启动导致调度延迟敏感。
• 多租户：公平性 vs 噪声邻居，需要 BPF 调度器或 cgroup v2 的 latency nice。

6 嵌入式与异构计算
• Android：Uclamp、walt、EAS、SCHED_FIFO 音频线程。
• 自动驾驶：PREEMPT_RT + SCHED_DEADLINE 保证 1 ms 控制环。
• RISC-V：Linux 已支持 Sstc（Supervisor-mode timer）以降低 timer 中断开销。
• GPU/TPU：NUMA-aware 线程绑核，减少 PCIe 延迟。

7 性能观测与调试工具
• /proc//sched*、/proc/sched_debug
• perf sched、perf c2c、perf timechart
• trace-cmd & kernelshark、ftrace、ebpf sched_* 跟踪点
• BPF 工具：runqlat、runqlen、cpudist、offcputime
• LISA、Kernelshark、Intel VTune、Arm Streamline。

8 未来趋势
• 用户空间可编程调度器（SCHED_EXT + BPF）
• CXL 内存语义对调度器的影响
• RISC-V 与 chiplets 的异构调度
• AI 辅助调度（Meta 的 Autoscale、Google 的 ML-Scheduler）
• 实时 Linux 主线化（PREEMPT_RT 预计在 6.12 完全合并）

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二、思维导图（脑图）
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（文本版，可直接粘到 XMind、MindManager 或 draw.io 导入为 Markdown）

进程调度

1 基础概念

进程/线程/任务
状态：R,S,D,T,Z,X,I
上下文：寄存器、内核栈、mm、files

2 调度目标

性能：吞吐、CPU 利用率
交互：响应时间、延迟分布
公平：CFS shares、组调度
实时：deadline 保证
能耗：EAS、DVFS
安全：侧信道隔离

3 经典算法

单核
- FCFS / SJF / SRTF
- RR / 优先级 / MLFQ
多核
- 全局 / 分区 / 混合
- 负载均衡 / 迁移
- NUMA / 大小核
实时
- 固定优先级：RM / DM
- 动态优先级：EDF / LLF

4 Linux 调度器

1.2 - 2.4：O(n)
2.6：O(1) → CFS
RT / DL / IDLE / STOP
EAS：Energy Model + sugov
SCHED_EXT：BPF 可编程

5 云原生

cgroups CPU 子系统
K8s：request/limit → CFS quota
CPU Manager / Topology Manager
Serverless / 冷启动

6 嵌入式 & 异构

Android：walt / uclamp
PREEMPT_RT / SCHED_DEADLINE
RISC-V / chiplets / GPU

7 观测工具

/proc/sched*
perf / ftrace / BPF
LISA / VTune / Streamline

8 未来趋势

SCHED_EXT + BPF
CXL / chiplet NUMA
AI 调度器
PREEMPT_RT 主线化

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使用方法

复制“思维导图”区块文本 → 打开 XMind → 文件 → 导入 → Markdown → 自动生成脑图。
如需 PDF 或 PNG，可在 XMind 中导出。

在操作系统中，进程调度是核心功能之一，它负责合理地分配 CPU 资源，以提高系统的性能和效率。本报告将详细介绍进程调度的相关内容，包括调度方式、三级调度、调度算法以及进程优先级的确定。

二、调度方式

（一）可剥夺式调度

可剥夺式调度是指当有更高优先级的进程到来时，强行将正在运行进程的 CPU 分配给高优先级的进程。这种调度方式能够及时响应高优先级进程的需求，保证系统的实时性。例如，在一个多任务操作系统中，当一个紧急的实时任务到达时，可以立即剥夺当前正在运行的低优先级进程的 CPU 资源，从而确保实时任务能够及时执行。

（二）不可剥夺式调度

不可剥夺式调度是指当有更高优先级的进程到来时，必须等待正在运行进程自动释放占用的 CPU，然后将 CPU 分配给高优先级的进程。这种调度方式相对简单，实现成本较低，但可能会导致高优先级进程等待时间过长，影响系统的实时性。例如，在一些对实时性要求不高的系统中，为了减少调度开销，可以采用不可剥夺式调度方式。

三、三级调度

在某些操作系统中，一个作业从提交到完成需要经历高、中、低三级调度。

（一）高级调度

高级调度也称为作业调度，它主要负责从外存的作业后备队列中选择作业进入内存，并为其分配必要的资源，建立相应的进程。高级调度的主要目的是根据系统的资源状况和作业的需求，合理地选择作业进入内存，以提高系统的资源利用率和吞吐量。

（二）中级调度

中级调度也称为内存调度，它的主要任务是在内存和外存之间进行进程的对换。当内存资源紧张时，中级调度会将一些暂时不需要运行的进程换出到外存，以腾出内存空间；当内存资源充足时，再将一些进程从外存换入到内存，使其能够继续运行。中级调度的主要目的是提高内存的利用率，平衡系统的负载。

（三）低级调度

低级调度也称为进程调度，它负责从就绪队列中选择一个进程，并将 CPU 分配给该进程，使其能够在 CPU 上运行。低级调度是最频繁的调度，它直接影响到系统的性能和响应时间。

四、调度算法

（一）先来先服务（FCFS）算法

先来先服务算法是一种最简单的调度算法，它按照进程到达的先后顺序依次为进程分配 CPU 资源。该算法的优点是公平、简单，实现起来比较容易；缺点是平均等待时间可能较长，尤其是当长作业先到达时，会导致后面的短作业等待时间过长。

（二）时间片轮转（RR）算法

时间片轮转算法是一种用于分时系统的调度算法，它将 CPU 时间划分成固定大小的时间片，每个进程在获得 CPU 资源后，只能运行一个时间片，当时间片用完后，该进程将被暂停，并被插入到就绪队列的末尾，等待下一次调度。该算法的优点是能够保证每个进程都能在一定时间内得到响应，实现了公平性和及时性的平衡；缺点是时间片的大小选择比较困难，如果时间片过大，算法会退化为先来先服务算法；如果时间片过小，会增加调度开销。

（三）优先级调度算法

优先级调度算法是根据进程的优先级来分配 CPU 资源的算法，优先级高的进程将优先获得 CPU 资源。优先级可以分为静态优先级和动态优先级，静态优先级是在进程创建时就确定的，而动态优先级则会根据进程的运行情况动态调整。该算法的优点是能够根据进程的重要性和紧急程度合理分配 CPU 资源，提高系统的性能和效率；缺点是可能会导致低优先级进程饥饿，即长时间得不到 CPU 资源。

（四）多级反馈调度算法

多级反馈调度算法是一种综合了多种调度算法优点的调度算法，它设置了多个不同优先级的就绪队列，并为每个队列分配不同的时间片。新进程首先进入最高优先级队列，按照先来先服务的原则进行调度；如果该进程在一个时间片内没有完成，则将其移动到下一级队列；依此类推，直到该进程进入最低优先级队列，在最低优先级队列中采用时间片轮转算法进行调度。该算法的优点是能够适应不同类型进程的需求，提高系统的性能和效率；缺点是实现起来比较复杂。