第二章 進(jìn)程管理

調(diào)度的概念、層次

處理機(jī)調(diào)度

• 基本概念
• 三個層次
  • 高級調(diào)度（作業(yè)調(diào)度）
  • 中級調(diào)度（內(nèi)存調(diào)度）
  • 低級調(diào)度（進(jìn)程調(diào)度）
• 三層調(diào)度的聯(lián)系、對比
• 補(bǔ)充知識
  • 進(jìn)程的“掛起態(tài)”
  • 七狀態(tài)模型

（一）調(diào)度的基本概念

??其實調(diào)度的概念離我們的生活并不遙遠(yuǎn)。

??比如在我們?nèi)ャy行的時候，這個銀行，它可能有幾個窗口為客戶服務(wù)。那么，這些客戶，到底應(yīng)該先為誰服務(wù)呢？銀行一般采用的是先到先服務(wù)的這種原則。

??如果說此時有一個vip客戶，這個客戶在銀行里可能就會優(yōu)先被服務(wù)、優(yōu)先級更高。

??再看另外一個例子。一個宿舍，早上大家都想上衛(wèi)生間。每個人都想使用，但是有的人想使用3分鐘，有的人要10分鐘，有的人要1分鐘……那么，大家在商量之后，就決定了一種使用這個資源的一個原則：使用時間短的就先使用，使用時間長的就后使用；如果時間長度相同的，先排隊的先使用。

??其實所謂的調(diào)度，它指的就是，當(dāng)我們有一堆任務(wù)要處理的時候，由于當(dāng)前的資源有限，那么這些事情沒辦法同時地被處理，那這個時候，我們就需要按照某種規(guī)則（比如先到先服務(wù)、時間短的優(yōu)先），來決定我們要用什么樣的順序來處理這些任務(wù)。這就是所謂的“調(diào)度”。

??當(dāng)有一堆任務(wù)要處理，但由于資源有限，這些事情沒法同時處理。這就需要確定某種規(guī)則來決定處理這些任務(wù)的順序，這就是“調(diào)度”研究的問題。

（二）調(diào)度的三個層次

（1）高級調(diào)度

??我們來看一下，在一個程序整個生命周期內(nèi)，什么時候會發(fā)生調(diào)度的情況。

??第一種，叫做高級調(diào)度，又叫作業(yè)調(diào)度。

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??此處補(bǔ)充一下作業(yè)的概念。

??所謂的作業(yè)，指的就是某一個具體的任務(wù)。

??可能有時會看到這種描述：用戶向操作系統(tǒng)提交了一個作業(yè)。

??這句話，其實可以理解為：用戶讓操作系統(tǒng)幫他啟動某一個程序，這個程序是來處理某一個具體的任務(wù)的。

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??我們知道，我們要啟動一個程序，那么這個程序相關(guān)的數(shù)據(jù)肯定需要從外存放到內(nèi)存里面。

??但是我們的內(nèi)存資源又是有限的。

??所以，如果內(nèi)存已經(jīng)滿了，那么我們給操作系統(tǒng)提交的作業(yè)（或者我們想讓系統(tǒng)幫我們啟動的這個程序）就有可能沒辦法馬上把它們放入內(nèi)存（沒辦法馬上啟動）。

??在這個時候，操作系統(tǒng)就會做高級調(diào)度（作業(yè)調(diào)度）。

??操作系統(tǒng)會按照作業(yè)調(diào)度的相關(guān)規(guī)則，從作業(yè)后備隊列里面選擇一個先把它調(diào)入內(nèi)存，并且會為這個作業(yè)建立與它相對應(yīng)的進(jìn)程，也就是建立一個PCB。這就是高級調(diào)度（作業(yè)調(diào)度）要做的事情。如果當(dāng)前用戶提交了很多作業(yè)，操作系統(tǒng)就要決定接下來到底要執(zhí)行哪一個作業(yè)。

??高級調(diào)度（作業(yè)調(diào)度）：按一定的原則從外存的作業(yè)后備隊列中挑選一個作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并創(chuàng)建進(jìn)程。簡化理解：好幾個程序需要啟動，到底先啟動哪個。

??每個作業(yè)只調(diào)入一次，調(diào)出一次。作業(yè)調(diào)入時會建立PCB，調(diào)出時才撤銷PCB。

（2）低級調(diào)度

??低級調(diào)度（進(jìn)程調(diào)度/處理機(jī)調(diào)度）：按照某種策略從就緒隊列中選取一個進(jìn)程，將處理機(jī)分配給它。

??因為我們內(nèi)存中同一時刻是存在很多進(jìn)程的，而我們CPU的資源也是有限的。所以，操作系統(tǒng)也需要按某種策略，從我們的進(jìn)程就緒隊列中挑選出一個進(jìn)程，把處理機(jī)資源分配給它。

??多道程序并發(fā)，這件事情，肯定要用到進(jìn)程調(diào)度。

??所以，進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)中最基本的一種調(diào)度，在一般的操作系統(tǒng)中都必須配置進(jìn)程調(diào)度。

??并且，進(jìn)程調(diào)度的頻率是很高的，一般幾十毫秒一次。因為高頻率的進(jìn)程調(diào)度，才可以讓各個進(jìn)程很快速地、輪流地上CPU執(zhí)行。這樣才可以讓用戶在宏觀上看，好像是各個進(jìn)程在同時運(yùn)行。

（3）中級調(diào)度

??剛才我們說過，計算機(jī)當(dāng)中有可能出現(xiàn)內(nèi)存資源不足的情況。內(nèi)存里面此時存在多個進(jìn)程的數(shù)據(jù)。

??而如果內(nèi)存不足的話，其實我們是可以讓一些不太緊急、不太重要的進(jìn)程，先把這些進(jìn)程的數(shù)據(jù)從內(nèi)存調(diào)出到外存。

??如果一個進(jìn)程的數(shù)據(jù)，把它從內(nèi)存放入到了外存里面，那這個進(jìn)程此時就處于掛起狀態(tài)。操作系統(tǒng)會把這些進(jìn)程的PCB組織起來成為一個隊列，叫掛起隊列。（類似于之前說過的就緒隊列、阻塞隊列）

??暫時調(diào)到外存等待的進(jìn)程狀態(tài)為掛起狀態(tài)。被掛起的進(jìn)程PCB會被組織成掛起隊列。

??那此時已經(jīng)有空閑的內(nèi)存資源了，操作系統(tǒng)又可以通過某一種調(diào)度策略，來決定，到底要把哪個進(jìn)程的數(shù)據(jù)先調(diào)回內(nèi)存。這個就是中級調(diào)度管的事情，又叫內(nèi)存調(diào)度。

??中級調(diào)度（內(nèi)存調(diào)度）：按照某種策略決定將哪個處于掛起狀態(tài)的進(jìn)程重新調(diào)入內(nèi)存。

??我們平時用手機(jī)的時候會有這樣的體驗：有時在切換程序（切換進(jìn)程）的時候，有的時候會發(fā)現(xiàn)切換的很快，而有的時候切換的又很慢。有種可能的原因就是，當(dāng)切換很快的時候，這個進(jìn)程的數(shù)據(jù)有可能是位于內(nèi)存里面的；而切換進(jìn)程很慢的時候，有可能是因為那個進(jìn)程的數(shù)據(jù)已經(jīng)不在手機(jī)內(nèi)存里，而是被系統(tǒng)調(diào)到了外存當(dāng)中，所以當(dāng)你切換到這個進(jìn)程的時候，系統(tǒng)會發(fā)現(xiàn)，這個進(jìn)程此時非運(yùn)行不可了，它再把相關(guān)的數(shù)據(jù)從外存再讀回內(nèi)存。

??那么顯然，在進(jìn)程運(yùn)行的生命周期內(nèi)，有可能會多次調(diào)出、調(diào)入內(nèi)存，所以中級調(diào)度發(fā)生的頻率肯定要比高級調(diào)度的頻率更高。

補(bǔ)充知識：進(jìn)程的掛起態(tài)與七狀態(tài)模型

??剛剛提到了掛起狀態(tài)。此處再補(bǔ)充一個與掛起狀態(tài)相關(guān)的，七狀態(tài)模型。

??暫時調(diào)到外存等待的進(jìn)程狀態(tài)為掛起狀態(tài)（掛起態(tài)，suspend）。

??掛起態(tài)又可以進(jìn)一步細(xì)分為就緒掛起、阻塞掛起兩種狀態(tài)。

??之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了進(jìn)程的五狀態(tài)模型。這是考研408里要求掌握的一種模型。

??但對于一些自主命題的學(xué)校，也有可能要掌握七狀態(tài)模型。總之了解一下。

??那么，在引入了就緒掛起、阻塞掛起兩種狀態(tài)之后，一個處于就緒態(tài)的進(jìn)程，如果此時這個系統(tǒng)的負(fù)載比較高、內(nèi)存空間已經(jīng)不夠用了，那么它有可能會把一個處于就緒態(tài)的進(jìn)程，把它暫時調(diào)到外存當(dāng)中，這個進(jìn)程就進(jìn)入了一個就緒掛起的狀態(tài)。一直到內(nèi)存空閑，或者這個進(jìn)程急需進(jìn)行，那么這個進(jìn)程又會被激活，并把它相應(yīng)數(shù)據(jù)挪回內(nèi)存中。

??同樣地，一個阻塞態(tài)的進(jìn)程也可以被掛起，相應(yīng)的也可以被激活、重新調(diào)入內(nèi)存。

??而有的操作系統(tǒng)，對于處于阻塞掛起的進(jìn)程，當(dāng)它等待的阻塞事件發(fā)生的時候，這個進(jìn)程會從阻塞掛起變?yōu)榫途w掛起。之后，當(dāng)它再被重新調(diào)回內(nèi)存的時候，直接就是就緒態(tài)，而不是回到阻塞態(tài)。

??還有的時候，一個進(jìn)程處于運(yùn)行態(tài)，當(dāng)運(yùn)行結(jié)束之后，可能這個進(jìn)程下處理機(jī)的時候就會被直接放到外存當(dāng)中，讓它進(jìn)入就緒掛起的狀態(tài)。

??而有的時候，一個處于創(chuàng)建態(tài)的進(jìn)程，當(dāng)它創(chuàng)建結(jié)束之后、創(chuàng)建完P(guān)CB之后，有可能出現(xiàn)內(nèi)存空間不夠的情況，那這種情況下有可能，處于創(chuàng)建態(tài)的進(jìn)程，創(chuàng)建之后處于就緒掛起的狀態(tài)。

??需要注意的是，“掛起”和“阻塞”的區(qū)別。

??這兩種狀態(tài)都是暫時不能獲得CPU的服務(wù)，但區(qū)別在于，處于掛起態(tài)的進(jìn)程，進(jìn)程映像是放在外存里的；而處于阻塞態(tài)的進(jìn)程，它的進(jìn)程映像其實還在內(nèi)存當(dāng)中。

??有的操作系統(tǒng)，會把就緒掛起、阻塞掛起分為兩個不同的掛起隊列。還有的操作系統(tǒng)會把阻塞掛起的進(jìn)程，根據(jù)阻塞原因不同，再把阻塞掛起隊列細(xì)分為多個隊列。

??以上就是七狀態(tài)模型。

（4）三層調(diào)度的聯(lián)系、對比

小結(jié)