计算机操作系统（十）调度的概念与层次，进程调度的时机与进程的调度方式

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前言

• 在上一篇博客里，我们聊了线程的概念和特点。
• 这篇博客里我们来详细讲一下操作系统里另一个重要概念 ——调度，看看系统如何像一位高效的管家，合理安排进程的运行顺序。

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一、调度的概念：

• 想象你在食堂打饭，阿姨要决定先给哪个同学打菜，这就是一种"调度"。
• 在计算机里，调度指的是操作系统为进程（程序的运行实例）分配CPU资源的过程。比如你同时打开微信、浏览器和文档，系统需要决定先让哪个程序占用CPU运行，这就是进程调度的核心任务。
  

二、调度的三个层次：

1. 高级调度（作业调度）

• 作用：从外存（硬盘）中选择一批作业装入内存，相当于学校的"招生办"。比如你双击打开一个游戏，系统先把游戏数据从硬盘加载到内存，这个过程就由高级调度负责。
• 例子：手机后台有10个待启动的App，系统先加载常用的微信、支付宝到内存，暂时把不常用的游戏留在硬盘。
  

2. 中级调度（内存调度）

• 作用：把暂时不用的进程从内存移到外存（挂起），需要时再移回来。比如你把视频软件最小化到后台，系统会减少它占用的内存资源，甚至暂时"冻结"它。
• 例子：电脑同时运行3个大型软件时卡顿，系统会自动把暂时不用的软件数据移到硬盘虚拟内存，释放物理内存给当前使用的软件。

3. 低级调度（进程调度）

• 作用：在内存中选择一个就绪进程分配CPU，是最频繁、最底层的调度。比如你一边听歌一边打字，系统会让音乐进程和打字进程轮流占用CPU，每次几毫秒。
• 例子：手机微信收到消息时，系统立即暂停当前的游戏进程，让微信进程占用CPU处理消息，处理完再切回游戏。

三、进程的挂起状态与七状态模型

挂起状态：进程的"休眠模式"

• 当进程被中级调度移到外存时，就进入挂起状态，相当于手机App被"后台冻结"。比如你把浏览器最小化很久，系统会挂起它，此时它既不能运行（不在内存），也不能立即恢复（需要重新加载到内存）。

七状态模型：进程的7种状态变化

1. 运行态：正在占用CPU（比如你正在编辑的文档）。
2. 就绪态：在内存中准备好运行，等待CPU分配（比如后台等待的微信）。
3. 阻塞态：因等待资源（如等待网络加载）暂停运行（比如视频缓冲时的播放进程）。
4. 挂起运行态：运行时被挂起到外存（很少见，比如极端内存不足时）。
5. 挂起就绪态：就绪态被挂起（比如长期最小化的App）。
6. 挂起阻塞态：阻塞态被挂起（比如等待文件下载时被冻结的进程）。
7. 新建态：进程刚创建，还未进入内存（比如刚点击打开但未加载的程序）。

四、三层调度的联系与对比

调度层次	核心任务	操作对象	执行频率	例子类比
高级调度	决定谁进入内存	作业（程序）	几分钟一次	学校招生办筛选学生
中级调度	调整内存中的进程状态	进程（内存数据）	几秒一次	班主任调整学生座位
低级调度	决定谁占用CPU	进程（CPU时间）	每毫秒多次	老师点名学生轮流发言

五、进程调度的时机：什么时候需要"换选手"

需要调度的情况：

1. 主动放弃：进程自己"举手投降"

• 进程完成任务（比如视频下载完毕）。
• 进程进入阻塞态（比如等待用户输入时）。
• 例子：你在文档中按下"保存"后，保存进程会主动暂停，等待硬盘写入完成，此时系统调度其他进程。

2. 被动放弃：系统强制"换人"

• 时间片用完（比如每个进程只能用10毫秒CPU，时间到就强制切换）。
• 更高优先级进程到来（比如手机来电时，系统强制暂停当前游戏）。
• 例子：电脑运行多个程序时，系统每隔几毫秒就切换一次，让每个程序"轮流执政"，避免某个程序独占CPU。

不能调度的情况：

1. 临界资源访问时：需要"排队使用"

• 比如多个进程同时操作打印机，必须等一个进程打印完，另一个才能开始，否则会导致打印乱码。就像两个人同时用一支笔写字，必须轮流使用。

2. 内核临界区：系统的"敏感操作"

• 当进程在内核态执行关键操作（如修改内存分配表）时，不能被中断，否则可能导致系统崩溃。好比医生做手术时不能被打断，否则会有危险。

特殊情况：有的系统只允许主动放弃

• 比如早期的Windows系统，进程必须自己释放CPU，否则会导致卡顿（类似老师让学生自由发言，不强制打断）。

六、进程调度的方式

1. 非剥夺调度（非抢占式）

• 特点：一旦进程占用CPU，除非主动放弃，否则不会被打断，实现简单但实时性差。
• 例子：传统课堂上，老师让一个学生发言，必须等他说完才能叫下一个，即使另一个学生有更紧急的问题。

2. 剥夺调度（抢占式）

• 特点：系统可以强制中断当前进程，分配给更高优先级的进程，实时性强但实现复杂。
• 例子：医院急诊，无论当前病人是谁，只要有更危重的患者到来，医生会立即暂停当前处理，优先抢救急诊病人。

七、进程切换

狭义vs广义调度：

• 狭义调度：单纯选择哪个进程运行（相当于老师决定叫哪个学生发言）。
• 广义调度：包括进程切换的全过程（不仅决定叫谁，还要让前一个学生坐下，下一个学生站起来）。

进程切换的过程：

1. 保存旧进程数据：把当前进程的CPU寄存器值、内存地址等保存到"进程控制块"（类似学生的课堂笔记）。
2. 恢复新进程数据：把新进程的"笔记"加载到CPU，让它从上次中断的地方继续运行（类似学生接着上次的内容继续发言）。

频繁切换的代价：

• 每次切换需要几十到几百纳秒的时间，如果频繁切换（比如每秒上万次），会浪费大量CPU时间在"保存/恢复"上，导致系统卡顿。就像频繁换电视频道，每次换台都需要加载新频道，换得太频繁就会觉得电视卡壳。

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以上就是对本次关于操作系统博客内容的总结，后续我们将深入探讨操作系统更多知识。

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