CPU调度层次、算法、时机与方式及Idle进程全解析

# 简介 当CPU有大量任务要处理，但由于资源有限，无法同时处理。所有就需要`某种规则`来决定任务处理的顺序，这就是调度。 # 调度层次 根据调度频率与层次，共分为三种 1. 高级调度 也称为作业调度(Long-Trem Scheduling),频次很低，它决定哪些进程从`外存(硬盘)加载到内存` 2. 中级调度 也称为内存调度(Medium-Term Scheduing),频次中等，将暂时无法运行的进程(阻塞进程)交换到外存，也就是所谓的挂起。释放内存资源，后续再重新加载到内存中。 3. 低级调度 也称为进程调度(Short-Term Scheduing),频次极高，每秒可达数千次。它直接决定当前哪个就绪进程获得CPU。 | ---- | 做什么？ | 发生在哪？ | 频率 | 对进程的影响 | | --- | --- | --- | --- | --- | | 高级调度 | 选择合适的作业调入内存，并创建进程 | 外存=>内存 | 最低 | NULL=>初始态=>就绪态 | | 中级调度 | 从阻塞队列中选择合适的进程调回内存 | 外存=>内存 | 中等 | 阻塞态=>就绪态 | | 低级调度 | 从就绪队列中选择合适的进程配合CPU | 内存=>CPU | 极高 | 就绪态=>运行态 | ## 进程调度的模型  相对进程的状态模型，这里出现了两种新状态，就绪挂起和阻塞挂起。 这本质上是一种优化，比如进程进入了就绪态/阻塞态。但该进程优先级很低，CPU根本调度不到该进程，该进程还白白占用内存，那不如将它挂起，从内存移入外存。释放内存为更高优先级的进程服务。 > > > 比如你的屏保程序，是CPU完全没事干的时候，才会运行。如果一直占用内存，只会白白浪费。 > ### 眼见为实  # 常见调度算法 调度算法的选择直接影响系统性能，常见算法为`抢占式`(直接中断)和`非抢占式`（进程自愿释放） 1. 先来先服务(First-Come First-Served,FCFS) 按照进程进入就绪队列的顺序分配CPU，先到先得。 优点：实现简单，公平性基于到达顺序 缺点：可能导致"护航消息"，短CPU时间的进程要等待长CPU进程执行完成，周转性较差 2. 短作业优先(Shortest Job First,SJF) 选择预计执行最短的进程优先运行。 优点：平均周转时间最小化 缺点：需要预知运行时间，实现很难。谁家好人算这个啊！ 3. 轮转法(Round Robin,RR) 为每个进程分配固定的时间片(比如15ms)，进程时间片用完后，返回就绪队列。 优点：保证程序快速响应，适合交互式系统 缺点：上下文切换频繁，降低系统性能 4. 优先级调度(Priority Scheduling) 为每个进程分配优先级，高优先级先执行。 分为静态优先级：进程创建时即确定好优先级，动态优先级：根据运行情况动态调整优先级 优点：按需运行，高优先级进程能占用大量CPU。 缺点：低优先级进程可能一直得不到调用。动态设置优先级时，优先级难以界定。 5. 多级反馈队列(Multilevel Feedback Queues) 设置多个优先级队列，比如按照时间片的长短分组。新进程首先进入高优先级队列，如果未在时间片内完成，则降级到下一级队列 # 进程调度时机与方式 ## 什么时候需要进程调度？ 1. 主动放弃 - 进程正常终止 - 运行过程中发生异常而终止 - 主动阻塞，比如等待I/O，Sleep 2. 被动放弃 - 分配的时间片用完 - 更高优先级进程的插入，比如I/O中断 ## 什么时候不能进程调度？ 1. 处理中断的过程 2. 进程处于操作系统内核临界区 3. 系统原语操作过程 > > > 说人话就时，当系统执行原子操作时，就不能调度。 > > 你都是原子操作了，要是能被调度，那还叫原子操作吗？ > ## 进程调度方式 1. 抢占式 由操作系统剥夺当前进程的CPU使用权 2. 非抢占式 进程主动放弃CPU，全凭良心。 ## 进程调度程序 1. 支持内核级线程的操作系统，调度的对象是线程 2. 不支持内核级线程的操作系统，调度的对象是进程 ## Idle进程 CPU通电后，就需要一直运行。就算没有工作，也要给CPU几条指令，组成一个循环，在那里`空转`。 因此系统会创建这么一个特殊的`Idle进程`。 从它的工作性质不难猜出它的特性： 1. 优先级最低 2. 能耗低 3. 啥也不干 ### 眼见为实