[2.2.1]进程管理——调度的概念、层次

第二章 进程管理

调度的概念、层次

处理机调度

• 基本概念
• 三个层次
  • 高级调度（作业调度）
  • 中级调度（内存调度）
  • 低级调度（进程调度）
• 三层调度的联系、对比
• 补充知识
  • 进程的“挂起态”
  • 七状态模型

（一）调度的基本概念

  其实调度的概念离我们的生活并不遥远。

  比如在我们去银行的时候，这个银行，它可能有几个窗口为客户服务。那么，这些客户，到底应该先为谁服务呢？银行一般采用的是先到先服务的这种原则。

  如果说此时有一个vip客户，这个客户在银行里可能就会优先被服务、优先级更高。

  再看另外一个例子。一个宿舍，早上大家都想上卫生间。每个人都想使用，但是有的人想使用3分钟，有的人要10分钟，有的人要1分钟……那么，大家在商量之后，就决定了一种使用这个资源的一个原则：使用时间短的就先使用，使用时间长的就后使用；如果时间长度相同的，先排队的先使用。

  其实所谓的调度，它指的就是，当我们有一堆任务要处理的时候，由于当前的资源有限，那么这些事情没办法同时地被处理，那这个时候，我们就需要按照某种规则（比如先到先服务、时间短的优先），来决定我们要用什么样的顺序来处理这些任务。这就是所谓的“调度”。

  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）调度的三个层次

（1）高级调度

  我们来看一下，在一个程序整个生命周期内，什么时候会发生调度的情况。

  第一种，叫做高级调度，又叫作业调度。

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  此处补充一下作业的概念。

  所谓的作业，指的就是某一个具体的任务。

  可能有时会看到这种描述：用户向操作系统提交了一个作业。

  这句话，其实可以理解为：用户让操作系统帮他启动某一个程序，这个程序是来处理某一个具体的任务的。

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  我们知道，我们要启动一个程序，那么这个程序相关的数据肯定需要从外存放到内存里面。

  但是我们的内存资源又是有限的。

  所以，如果内存已经满了，那么我们给操作系统提交的作业（或者我们想让系统帮我们启动的这个程序）就有可能没办法马上把它们放入内存（没办法马上启动）。

  在这个时候，操作系统就会做高级调度（作业调度）。

  操作系统会按照作业调度的相关规则，从作业后备队列里面选择一个先把它调入内存，并且会为这个作业建立与它相对应的进程，也就是建立一个PCB。这就是高级调度（作业调度）要做的事情。如果当前用户提交了很多作业，操作系统就要决定接下来到底要执行哪一个作业。

  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。简化理解：好几个程序需要启动，到底先启动哪个。

  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）低级调度

  低级调度（进程调度/处理机调度）：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。

  因为我们内存中同一时刻是存在很多进程的，而我们CPU的资源也是有限的。所以，操作系统也需要按某种策略，从我们的进程就绪队列中挑选出一个进程，把处理机资源分配给它。

  多道程序并发，这件事情，肯定要用到进程调度。

  所以，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。

  并且，进程调度的频率是很高的，一般几十毫秒一次。因为高频率的进程调度，才可以让各个进程很快速地、轮流地上CPU执行。这样才可以让用户在宏观上看，好像是各个进程在同时运行。

（3）中级调度

  刚才我们说过，计算机当中有可能出现内存资源不足的情况。内存里面此时存在多个进程的数据。

  而如果内存不足的话，其实我们是可以让一些不太紧急、不太重要的进程，先把这些进程的数据从内存调出到外存。

  如果一个进程的数据，把它从内存放入到了外存里面，那这个进程此时就处于挂起状态。操作系统会把这些进程的PCB组织起来成为一个队列，叫挂起队列。（类似于之前说过的就绪队列、阻塞队列）

  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。

  那此时已经有空闲的内存资源了，操作系统又可以通过某一种调度策略，来决定，到底要把哪个进程的数据先调回内存。这个就是中级调度管的事情，又叫内存调度。

  中级调度（内存调度）：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。

  我们平时用手机的时候会有这样的体验：有时在切换程序（切换进程）的时候，有的时候会发现切换的很快，而有的时候切换的又很慢。有种可能的原因就是，当切换很快的时候，这个进程的数据有可能是位于内存里面的；而切换进程很慢的时候，有可能是因为那个进程的数据已经不在手机内存里，而是被系统调到了外存当中，所以当你切换到这个进程的时候，系统会发现，这个进程此时非运行不可了，它再把相关的数据从外存再读回内存。

  那么显然，在进程运行的生命周期内，有可能会多次调出、调入内存，所以中级调度发生的频率肯定要比高级调度的频率更高。

补充知识：进程的挂起态与七状态模型

  刚刚提到了挂起状态。此处再补充一个与挂起状态相关的，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。

  之前已经学习了进程的五状态模型。这是考研408里要求掌握的一种模型。

  但对于一些自主命题的学校，也有可能要掌握七状态模型。总之了解一下。

  那么，在引入了就绪挂起、阻塞挂起两种状态之后，一个处于就绪态的进程，如果此时这个系统的负载比较高、内存空间已经不够用了，那么它有可能会把一个处于就绪态的进程，把它暂时调到外存当中，这个进程就进入了一个就绪挂起的状态。一直到内存空闲，或者这个进程急需进行，那么这个进程又会被激活，并把它相应数据挪回内存中。

  同样地，一个阻塞态的进程也可以被挂起，相应的也可以被激活、重新调入内存。

  而有的操作系统，对于处于阻塞挂起的进程，当它等待的阻塞事件发生的时候，这个进程会从阻塞挂起变为就绪挂起。之后，当它再被重新调回内存的时候，直接就是就绪态，而不是回到阻塞态。

  还有的时候，一个进程处于运行态，当运行结束之后，可能这个进程下处理机的时候就会被直接放到外存当中，让它进入就绪挂起的状态。

  而有的时候，一个处于创建态的进程，当它创建结束之后、创建完PCB之后，有可能出现内存空间不够的情况，那这种情况下有可能，处于创建态的进程，创建之后处于就绪挂起的状态。

  需要注意的是，“挂起”和“阻塞”的区别。

  这两种状态都是暂时不能获得CPU的服务，但区别在于，处于挂起态的进程，进程映像是放在外存里的；而处于阻塞态的进程，它的进程映像其实还在内存当中。

  有的操作系统，会把就绪挂起、阻塞挂起分为两个不同的挂起队列。还有的操作系统会把阻塞挂起的进程，根据阻塞原因不同，再把阻塞挂起队列细分为多个队列。

  以上就是七状态模型。

（4）三层调度的联系、对比

小结