【操作系统】处理机调度的基本概念和三个层次、进程调度的时机和方式、调度器、闲逛线程

简介: 【操作系统】处理机调度的基本概念和三个层次、进程调度的时机和方式、调度器、闲逛线程

一、处理机调度基本概念

  • 当有一堆任务要处理,但由于资源有限,这些事情没法同时处理。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。

二、处理机调度的三个层次

2.1 高级调度(作业调度)

  • 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)
  • 简化理解:好几个程序需要启动,到底先启动哪个
  • 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挑选一个作业调入内存,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。

2.2 中级调度(内存调度)

  • 内存不够时,可将某些进程的数据调出外存。等内存空闲或者进程需要运行时再重新调入内存。
  • 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)一一按照某种策略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,因此中级调度发生的频率要比高级调度更高

2.2.1进程的挂起态与七状态模型

  • 暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态(挂起态,suspend)
  • 挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态
  • 五状态模型 -->七状态模型


  • 注意“挂起”和“阻塞”的区别,两种状态都是暂时不能获得CPU的服务,但挂起态是将进程映像调到外存去了,而阻塞态下进程映像还在内存中。
  • 有的操作系统会把就绪挂起、阻塞挂起分为两个挂起队列,甚至会根据阻塞原因不同再把阻塞挂起进程进一步细分为多个队列。

2.3 低级调度(进程调度)

  • 低级调度(进程调度/处理机调度)一一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。
  • 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。

三、三层调度的联系、对比

要做什么 调度发生在 发生频率 对进程状态的影响
高级调度(作业调度) 按照某种规则,从后备队列中选择合适的作业将其调入内存,并为其创建进程 外存–> 内存(面向作业) 最低 无–>创建态–>就绪态
中级调度(内存调度) 按照某种规则,从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存 外存–> 内存(面向进程) 中等 挂起态–>就绪态(阻塞挂起–>阻塞态)
低级调度(进程调度) 按照某种规则,从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机 内存–>CPU 最高 就绪态–>运行态

四、进程调度

4.1 进程调度的时机

  • 进程调度(低级调度),就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机。
  • 需要进行进程调度与切换的情况:
  • 1.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/O)
  • 2.当前运行的进程被动放弃处理机
  • 分给进程的时间片用完
  • 有更紧急的事需要处理(如/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情况:
  • 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。
  • 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)

4.1.1 进程调度的方式

4.1.1.1 非剥夺式调度(非抢占式)
  • 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
4.1.1.2 剥夺式调度(抢占式)
  • 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,则立即暂停正在执行的进程,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,也可实现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

4.2 进程调度的切换与过程

  • “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。

五、调度器/调度程序(scheduler)



5.1 调度时机一一什么事件会触发“调度程序”?

  • 创建新进程
  • 进程退出
  • 运行进程阻塞
  • I/O中断发生(可能唤醒某些阻塞进程)
  • 非抢占式调度策略,只有运行进程阻塞或退出才触发调度程序工作
  • 抢占式调度策略,每个时钟中断或k个时钟中断会触发调度程序工作

5.2闲逛线程

  • 调度程序永远的备胎,没有其他就绪进程时,运行闲逛进程(idle)
  • 闲逛进程的特性:
  • 优先级最低
  • 可以是0地址指令,占一个完整的指令周期(指令周期末尾例行检查中断)
  • 能耗低


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