操作系统中的进程是如何 “调度” 的?
一、处理机调度的概念和层次
1.1 调度的基本概念
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。
在多道程序系统中,进程的数量往往是多余处理机个数的,这样不可能同时并行地处理各个进程。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。
1.2 调度的三个层次——高级调度
由于内存孔家有限,有时无法将用户提交的作业全部放入内存,因此酒醋要确定某种规则来决定将作业调入内存的顺序。
高级调度(作业调度)按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个(或多个)作业,给他们分配内存必要资源,并建立相应的进程(建立PCB)
,以使它(们)获得竞争处理机的权利
。
高级调度是外存与内存之间的调度。每个作业只调入依次,调出一次。作业调入时会建立相应的PCB,作业调出时才撤销PCB。
高级调度主要时指调入的问题,因为只有调入的时机需要操作系统来确定,但调出的时机必然时作业运行结束才调出。
1.3 调度的三种层次——中级调度
引入虚拟存储技术之后,可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备运行条件且内存又稍有空闲时,再重新调入内存。这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。
暂时调到外存等地啊的进程状态为挂起状态
。值得注意的是,PCB
并不会一起调到外存,而是会常驻内存
。PCB种会记录进程数据再外存种的存放位置,进程状态等信息,操作系统通过内存种的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。
中级调度
(内存调度),就是要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入调出内存,因此中级调度
发生的频率要比高级调度更高
。
补充知识: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)
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,但是挂起态是将进程映像调到外存去了,而阻塞态下进程影响还在内存中。
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把阻塞挂起进程进一步细分为多个队列。
1.4 调度的三个层次——低级调度
低级调度
(进程调度),其主要任务是按照某种方法和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
,再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。
1.5 三层调度的对比、联系
二、进程调度的时机、切换与过程
2.1 进程调度的时机
进程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。
(1)需要进行进程调度与切换的情况:
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I/O)
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I/O中断)
- 有更高优先级的进程进入就绪队列
(2)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。
- 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放到相应队列中)
我们来看这样一个问题:进程处于临界区时不能进行处理机调度这种说法是否正确?
首先我们来看两个概念:
- 临界资源:一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥地访问临界资源。
- 临界区:访问临界资源的那段代码。
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(由各种就绪进程的PCB组成)
进程在访问就绪队列之前就会对就绪队列上锁,如果还没退出临界区(还没解锁)就进行进程调度,但是进程调度相关的程序也需要访问就绪队列,但此时就绪队列被锁住了,因此又无法顺利进行进程调度。
内核程序临界区访问的临界资源如果不尽快释放的话,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。
在打印机打印完成之前,进程一直处于临界区内,临界资源不会解锁。但打印机有时慢速设备,此时如果一致不允许就能成调度的话就会导致CPU一致空闲。
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与切换。
所以上面问题的说法是错误的,正确的应该是进程字操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换。
2.2 进程调度的方式
(1)非剥夺调度方式
又称非抢占式。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,适合于早期的壁橱里系统。
(2)剥夺调度系统
又称抢占系统。当一个进程正在处理机上执行,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功能,将处理机分配给更紧迫的哪个进程。
可以优先处理更紧迫的进程,也可以实现让个进程按时间片轮流执行的功能(通过始终中断)。适合于分时操作系统,实时操作系统。
2.3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
,也可以是另一个进程
,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。
进车给切换的过程主要完成了:
- 对原来运行进程更重数据的保存
- 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:进程切换是有时间代价的,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种,而真正用于执行进程的时间减少。
三、调度算法的评价指标
3.1 CPU利用率
由于早期的CPU造价极其昂贵,因此人们会希望让CPU尽可能多得工作
。
CPU利用率
:指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例。
3.2系统吞吐量
对于计算机来说,希望能用尽可能少的时间处理尽可能多的作业。
系统吞吐量:单位时间内完成作业的数量
Eg:某计算机胸痛处理完10道作业,共花费100秒,则系统吞吐量为?
10/100 = 0.1道/秒
3.3周转时间
对于计算机的用户来说,它们很关心自己的作业从提交到完成花了多少时间。
周转时间
,是指从作业被提交给系统开始
,到作业完成为止
的这段时间间隔。
它包括四个部分:
- 作业在外存后备队列上等待作业调度(高级调度)的时间
- 进程在就绪队列上等待进程调度(低级调度)的时间——(就绪态)
- 进程在CPU上执行的时间——(运行态)
- 进程等待I/O操作完成的时间——(阻塞态)
后三项在一个作业的整个处理过程中,可能发生多次。
计算方法:
(作业)周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间
对于用户来说,更关心自己的单个作业的周转时间。
平均周转时间
对于操作系统来说,更关心系统的整体表现,因此更关心所有作业周转时间的平均值。
思考:有的作业运行时间短,有的作业运行时间厂,因此在周转时间相同的情况下,运行时间 不同的作业,给用户的感受肯定是不一样的。
举个例子:在上厕所时,一个人需要使用厕所1分钟,但是需要等待10分钟;而另一个人需要使用10分钟,但是只用等待1分钟。这两种方式的总时间都是需要用11分钟,但是他们两个人的体验截然相反。
这是因为有了这样的情况,就出现了带权周转时间。
带权周转时间>=1,并且越多越好
对于周转时间相同的两个作业,实际运行时间长的作业在相同时间内被服务的时间更多,带权周转时间更小,用户满意度越高。
对于实际运行时间相同的两个作业,周转时间短的带权周转时间更小,用户满意度更高。
3.4 等待时间
计算机的用户希望自己的作业尽可能少的等待处理机。
等待时间,指进程/作业处于等待处理机状态时间之和,等待时间越长,用户满意度越低。
对于进程
来说,等待时间就是指进程建立后等待被服务的时间之和,在等待I/O完成的期间其实进程也是在被服务的,所以不计入等待时间。
对于作业
来说,不仅要考虑建立进程后的等待时间,还要加上作业在外存后备队列中等待的时间。
一个作业总共需要被CPU服务多久,被I/O设备服务多久一般是确定不变的,因此调度算法其实只会影响作业/进程的等待时间。当然,与前面指标类似,也有“平均等待时间”来评价整体性能。
3.5 响应时间
对于计算机用户来说,会希望自己的提交的请求(比如通过家农安输入一个调试命令)尽早地开始被系统服务、回应。
响应时间
,指从用户提交请求
到首次产生响应
的时间。
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