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第二章 进程管理

进程调度的时机、方式、切换与过程

• 时机
  • 什么时候需要进程调度？
  • 什么时候不能进行进程调度？
• 切换与过程
  • “狭义的调度”与“切换”的区别
  • 进程切换的过程需要做什么？
• 方式
  • 非剥夺调度方式（非抢占式）
  • 剥夺调度方式（抢占式）

（一）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。

  什么时候需要进行进程调度与切换？

  （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。

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  而进程调度并不是什么时候都能进行的，有些时候不能进行进程调度与切换。

  （1）在处理中断的过程中。由于中断处理过程很复杂，与硬件密切相关，因此很难做到在进行中断处理过程、处理到一半的时候，去进行进程切换的。

  （2）进程在操作系统内核程序临界区中。（下文会具体讲）

  （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。而如果在执行到一半去进行进程调度与切换了，就有可能导致数据不匹配、安全隐患）

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  进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换。（正确表述）

  （2012年联考真题）进程处于临界区时不能进行处理机调度。（错误！）

  临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各个进程需要互斥地访问临界资源。（你访问临界资源的时候我不能访问，我访问临界资源的时候你不能访问，这就是互斥的意思）

  临界区：访问临界资源的那段代码。（因此，各个进程肯定也要互斥地进入临界区。因为“进入临界区” = 运行访问临界资源的代码 = 访问临界资源）

  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）。

  当一个进程正处于内核程序临界区，而这个临界区是访问就绪队列的话。那么，在访问之前，它会把这个就绪队列上锁。

  而如果说这个进程当前还没有退出内核程序临界区的话，也就意味着，这个临界资源并没有被解锁。那么，在没有解锁的情况下，如果我们要发生进程调度的话，那么进程调度是肯定要访问就绪队列这一临界资源的。而由于就绪队列这一临界资源此时还处于上锁的状态，所以，如果在这种情况下去进行进程调度的话，那么此时肯定是没办法顺利进行进程调度的。

  所以，可以看到，对于内核程序临界区访问的这些临界资源，也就是这些内核数据结构而言。如果这些内核数据结构、这些临界资源被上锁了，并且没有被尽快释放的话，那么就有可能影响到操作系统内核其他的管理工作。

  所以，我们在访问内核程序临界区的期间内，我们不能进行进程的调度和切换。我们必须让进程尽快执行完那些内核程序临界区的代码，之后尽快地把对临界资源上的锁给解除，只有这样其他的操作系统内核才能有序进行管理工作。

  而另外一种情况。

  假如这个进程访问的是一种普通的临界资源，比如是一个打印机。那么，它在访问打印机的时候，会先对打印机上锁。

  打印机在打印完成之前，这个进程一直是在临界区内的，一直保持着对打印机的访问，由于这个进程没有退出临界区，所以打印机一直是上锁的状态。但是，又由于打印机是一种慢速的设备，如果这个情况下，不允许进程调度、切换的话，那么就需要这个进程一直空等着这个打印机的打印结束。同时在这个进程空等的时候，它还霸占着CPU，所以CPU一直是在空闲的状态，什么有用的也没有做。

  所以，如果进程在访问普通的临界资源，在普通的临界区当中的话，这个情况下其实是应该进行进程调度的。因为普通的临界区访问的这些普通的临界资源，并不会直接地影响到操作系统内核的管理工作。所以，为了增加操作系统的并发度、增加CPU的利用率，那么在访问这些普通的临界区的时候，是可以进行进程调度和切换的。

  至此，对于开头的两个表达，为什么一个对一个错，已经可以理解了。

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  接下来看下一个问题。

  在有的操作系统里，它只允许进程主动地放弃处理机，而不允许这个进程在运行过程中被迫地被剥夺处理机资源。

  但是还有的操作系统，是允许当有更紧急的任务需要处理时，能强行地剥夺当前运行进程的处理机资源的。

  所以由“当前进程是否可以被强行剥夺处理机资源”这个问题，我们引出了下一个知识点——进程调度的方式。

（二）进程调度的方式

  分为非剥夺调度方式（非抢占式）和剥夺调度方式（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。在运行过程中即使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，则立即暂停正在执行的过程，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。

（三）进程的切换与过程

  “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：

  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）

  因此，我们可知，进程的切换是有代价的，是需要付出一定的时间代价的。所以不能简单的认为，进程切换越频繁、进程的并发度就越高。如果过于频繁地进行进程调度、切换，必然会使整个系统的效率降低，使系统大部分时间花在了进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少。

小结