《计算机操作系统》——处理机调度概念、层次

处理机调度

调度的基本概念

  调度的实质是一种资源分配，处理机调度是对处理机资源进行分配。
  在多道批处理系统中，一个作业从提交到获得处理机执行，直至作业运行完毕，可能需要经历多级处理机调度。
  在多道程序系统中，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

高级调度

• 又称作业调度，调度对象是作业，高级调度是外存与内存之间的调度。
• 主要功能是根据某种算法，决定将外存上处于后备队列中的哪几个作业调入内存，为它们创建进程（建立PCB）、分配必要的资源，并将他们放入就绪队列。
• 每个作业调入一次，调出一次。
• 高级调度主要用于多道批处理系统中，而在分时和实时系统中并不设置高级调度。

中级调度

• 又称内存调度，决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。
• 一个进程可能会被多次调出、调入内存，中级调度发生频率比高级调度更高。
• 为了提高内存利用率和系统吞吐量，把暂时不能运行的进程调至外存等待，此时进程的状态称为挂起状态，挂起状态PCB不会一起被调到外存，而会常驻内存。PCB会记录进程数据在外存中的存放位置，进程状态等信息，操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到挂起队列中。

低级调度

• 又称进程调度，调度对象时进程（或内核级线程），根据某种算法决定就绪队列中哪个进程获得处理机，并有分派程序将处理机分配给被选中的进程。
• 最基本的一种调度，在多道批处理系统、分时和实时三种类型的OS中，都必须配置低级调度。

三层调度联系、对比

进程调度

进程调度的时机

主动放弃

• 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）

被动放弃

• 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

• 处理中断过程中
• 进程在操作系统内核程序临界区中
• 在原子操作过程中

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，当进程访问就绪队列的时候，就绪队列作为临界资源就会上锁，若此时进行进程调度，进程调度也需要访问就绪队列，是无法顺利进行的。
  因此，若内核程序临界区访问的临界资源不尽快释放的话，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。
普通临界区：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和切换。

进程调度的方式

非剥夺调度方式

• 又称非抢占方式。
• 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迫的进程需要使用处理机，则立即暂停正在实行的过程，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，也可以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：从就绪队列中选一个要运行的进程。
• 进程切换：一个进程让出处理机，由另一个进程占用处理机。
• 广义的进程调度：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（一般保存在进程控制块PCB中）。
  进程切换是有代价的，如果过于频繁进行进程调度、切换，会降低系统效率（大部分时间花在进程切换，真正执行进程时间减少）。