操作系统笔记：进程调度（Process Scheduling）
一、什么是进程调度
进程调度（Process Scheduling） 是操作系统中负责选择下一个要运行的进程的一项核心功能。在多道程序设计系统中，多个进程竞争CPU资源，调度器根据特定策略选择一个进程运行。
目标：
- 提高CPU利用率
- 提高系统吞吐量
- 减少平均等待时间
- 保证响应时间
- 实现公平性与优先级
二、调度类型
| 调度类型 | 说明 |
|---|---|
| 长程调度（Long-term） | 决定哪些进程进入就绪队列 |
| 中程调度（Mid-term） | 暂停/恢复进程（换出/换入）以节省内存 |
| 短程调度（Short-term） | 选择哪个就绪进程获得CPU（核心调度器） |
实际中，主要关注短程调度，即CPU调度。
三、调度时机
进程调度的典型触发场景包括：
- 进程从运行状态 → 阻塞（如等待I/O）
- 进程从运行状态 → 就绪（时间片耗尽）
- 进程终止
- 优先级更高的进程进入就绪队列（抢占式调度）
四、调度方式：非抢占 vs 抢占
| 类型 | 描述 | 特点 |
|---|---|---|
| 非抢占式 | 一旦CPU被分配，直到终止或阻塞 | 简单、安全，但响应差 |
| 抢占式 | 系统可中断当前运行进程调度他人 | 响应快，但复杂 |
五、常见调度算法（经典）
1. 先来先服务
- 按照进程到达时间先后执行
- 非抢占式
- 简单易实现，但容易造成长作业阻塞短作业
2. 短作业优先（SJF）
- 按预估CPU时间从短到长排序
- 非抢占式 or 抢占式（抢占版本称为最短剩余时间优先SRTF）
- 最优平均等待时间，但难以预知作业时间
3. 时间片轮转（RR）
- 所有进程轮流执行，每次限时（时间片）
- 抢占式，公平性强
- 时间片大小影响性能与响应（小 → 响应好，切换多）
4. 优先级调度
- 为每个进程分配优先级
- 可抢占式或非抢占式
- 可能导致饥饿（低优先级长期不运行）
- 可引入**老化机制（aging）**缓解饥饿
5. 多级队列调度（Multilevel Queue）
- 不同优先级进程分配到不同队列
- 每个队列使用不同算法（如前台RR，后台FCFS）
- 队列之间不可交互（静态）
6. 多级反馈队列调度（MFQ）
- 类似多级队列，但允许进程在不同队列间迁移
- 初始放高优先级队列，执行一次没完成则降级
- 老化机制内置，适应性强，是实际常用的复杂调度策略
六、调度算法比较
| 算法 | 平均等待时间 | 响应速度 | 公平性 | 实现复杂度 |
|---|---|---|---|---|
| FCFS | 一般偏高 | 差 | 差 | 简单 |
| SJF | 最低 | 差 | 差 | 中 |
| RR | 中等 | 好 | 好 | 中 |
| 优先级 | 不定（看策略） | 不定 | 差 | 中 |
| 多级反馈 | 好 | 好 | 好 | 复杂 |
七、重要调度指标
| 指标 | 含义 |
|---|---|
| 周转时间 | 完成时间 - 提交时间 |
| 带权周转时间 | 周转时间 / 服务时间 |
| 等待时间 | 就绪队列中等待CPU的总时间 |
| 响应时间 | 第一次响应所花时间（用于交互式系统） |
八、进程调度相关术语回顾
- 进程控制块（PCB）：记录进程状态、寄存器、优先级等调度所需信息
- 就绪队列：存放等待CPU的进程
- 上下文切换（Context Switch）：保存/恢复进程执行状态的开销操作
九、面试常见问题及参考回答
为什么需要进程调度？
答： 因为系统资源有限，多个进程必须共享CPU等资源，调度器通过一定策略动态决定哪个进程运行，从而提升CPU利用率、响应时间和系统吞吐量。
非抢占式调度的缺点？
答：
- 无法强制切换，可能导致响应慢
- 一个进程运行时间过长会拖慢其他进程
- 不适用于交互式、实时系统
时间片轮转的优缺点？
答：
优点：
- 公平性强，每个进程都有机会
- 响应时间快，适合交互式系统
缺点：
- 时间片太大 → 类似FCFS，响应差
- 时间片太小 → 上下文切换频繁，浪费资源
多级反馈队列如何解决饥饿问题？
答：
- 低优先级进程若等待过久，将被提升优先级（老化机制）
- 动态调整进程优先级，确保所有进程都能运行
实际系统中常用哪些调度算法？
答：
- Windows：多级反馈队列 + 优先级提升/衰减机制
- Linux：O(1)调度器（老）、CFS（完全公平调度器）
- Unix：多级反馈 + 动态优先级
- Android：基于Linux CFS，并引入用户交互响应优化策略
十、总结
- 进程调度是操作系统资源管理核心之一
- 关键任务：选择最合适的进程运行，满足性能和公平
- 多种算法适用于不同场景，没有“最优算法”
- 面试重点：理解调度策略原理 + 实际适用性 + 面试题举例