操作系统学习笔记-进程调度篇

📌 进程（Process）和线程（Thread）的概念

1️⃣ 什么是进程（Process）？

✅ 定义

• 进程是程序在计算机中的一次运行实例，是操作系统进行资源分配的基本单位。
• 每个进程都有独立的内存空间、数据、代码 和 系统资源（如文件、网络连接等）。
• 进程之间相互独立，一个进程的崩溃不会影响其他进程。

🎯 进程的特点

• 独立性：每个进程拥有自己独立的内存空间。
• 并发性：多个进程可以在同一时间运行（在多核 CPU 上可以真正并行）。
• 资源占用大：每个进程需要占用一定的系统资源，如内存、文件句柄等。

🔍 进程示例

• 你打开 微信，就是一个进程。
• 你同时打开 Chrome 浏览器，它是另一个进程。
• 你在终端运行 python my_script.py，这个 Python 解释器本身也是一个进程。

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2️⃣ 什么是线程（Thread）？

✅ 定义

• 线程是进程内的执行单元，是操作系统进行CPU 调度的基本单位。
• 一个进程可以包含多个线程，它们共享相同的内存空间和系统资源。
• 线程之间相互协作，能提高程序执行效率。

🎯 线程的特点

• 共享内存：同一进程中的多个线程共享全局变量、代码段，无需额外的进程间通信（IPC）。
• 轻量级：线程切换比进程切换更快，开销更小。
• 并行执行：在多核 CPU 上，多个线程可以真正同时运行，提高计算效率。

🔍 线程示例

• 微信 中，主界面、消息接收、语音通话等功能可能是不同的线程。
• 浏览器 的多个标签页可能是多个线程，而浏览器本身是一个进程。
• Python 中使用 threading 模块可以创建多个线程执行任务。

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3️⃣ 进程 vs 线程 🆚

比较项	进程（Process）	线程（Thread）
基本概念	独立的运行实例	进程内部的执行单元
资源占用	需要独立的内存和资源	共享 进程的内存和资源
通信方式	需要 进程间通信（IPC）	线程共享 进程数据，直接访问变量
创建速度	慢，因为需要分配独立资源	快，因为不需要重新分配资源
稳定性	进程崩溃不会影响其他进程	线程崩溃可能导致整个进程崩溃
并发能力	可以真正并行（多进程）	需要配合 GIL，在 Python 中伪并行（多线程）

👨‍👦 父进程（Parent Process）与子进程（Child Process）

1️⃣ 什么是父进程（Parent Process）？

✅ 定义

• 父进程 是一个已经在系统中运行的进程，它可以创建新的进程（即子进程）。
• 在操作系统中，每个进程都会有一个父进程（除了 init 进程）。
• 创建子进程的方法：
  • 在 Linux/Unix 中使用 fork()
  • 在 Windows 中使用 CreateProcess()
  • 在 Python 中使用 multiprocessing 模块

🎯 父进程的特点

• 可以创建多个子进程
• 子进程可以继承父进程的资源
• 父进程可以等待子进程完成，也可以让子进程独立运行

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2️⃣ 什么是子进程（Child Process）？

✅ 定义

• 子进程 是由父进程创建的新进程，继承了父进程的大部分属性（如文件描述符、环境变量等）。
• 子进程拥有独立的内存空间，但可以与父进程共享部分资源。

🎯 子进程的特点

• 拥有自己的进程 ID（PID）
• 可以执行不同于父进程的任务
• 可以终止自己，也可以被父进程终止

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3️⃣ 父进程与子进程的关系

比较项	父进程（Parent Process）	子进程（Child Process）
创建方式	由操作系统或其他进程创建	由父进程创建
进程 ID	由系统分配	由系统分配（不同于父进程）
资源共享	可以与子进程共享资源	继承父进程的资源，但有独立的地址空间
存续关系	可以继续运行	可能依赖父进程，或独立运行
终止情况	可以主动终止子进程	父进程终止后，子进程可能变成孤儿进程

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4️⃣ Python 示例代码

🚀 创建子进程

import os

def child_process():
    print(f"我是子进程，PID: {os.getpid()}，我的父进程是: {os.getppid()}")

if __name__ == "__main__":
    print(f"我是父进程，PID: {os.getpid()}")
    
    pid = os.fork()  # 创建子进程

    if pid == 0:
        # 子进程执行
        child_process()
    else:
        # 父进程执行
        print(f"父进程（PID: {os.getpid()}）创建了子进程（PID: {pid}）")

🧵 线程的分类 & 优势

1️⃣ 内核态线程（Kernel Thread）

✅ 定义：由 操作系统内核 直接管理和调度的线程。
✅ 特点：

• 由 内核 创建、管理和调度，用户无法直接操作。
• 线程切换时需要 内核干预，会有上下文切换的开销。
• 适用于 多核 CPU 并行计算，如 Web 服务器、高性能计算。

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2️⃣ 用户态线程（User Thread）

✅ 定义：由 用户程序 创建和管理，操作系统 不直接管理。
✅ 特点：

• 线程调度在 用户态 进行，不涉及内核，切换速度快。
• 但如果一个线程阻塞，整个进程都会阻塞。
• 适用于 轻量级任务，如脚本执行、GUI 线程。

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3️⃣ 线程的优势

✅ 比进程更轻量级：创建、销毁、切换的开销更小。
✅ 支持并发执行：多个线程可以同时运行不同任务。
✅ 共享资源：同一进程内的线程共享内存，无需进程间通信（IPC）。
✅ 提升 CPU 利用率：减少 CPU 空闲时间，提高任务执行效率。

🚀 总结：

• 内核态线程：更强大，适合高性能计算，但开销大。
• 用户态线程：更轻量，适合轻量级任务，但易受阻塞影响。

进程调度（Process Scheduling）

进程调度是 操作系统管理 CPU 资源 的机制，决定哪个进程可以使用 CPU 以及运行多长时间。

进程调度的三种方式

1. 长程调度（作业调度）

   • 选择哪些进程进入内存（从磁盘加载到 RAM）。
   • 只在新进程创建时发生。

2. 中程调度（内存调度）

   • 负责进程的挂起（swap out）和恢复（swap in）。
   • 用于优化内存，防止内存占用过多。

3. 短程调度（CPU 调度）

   • 负责选择下一个运行的进程。
   • 最频繁 发生，直接影响系统响应速度。

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抢占式进程 vs 非抢占式进程

1. 抢占式调度（Preemptive Scheduling）

• 系统可以随时中断 进程，强制切换到另一个进程。
• 特点：
  • 更公平，防止某个进程长期独占 CPU。
  • 适合多任务系统（如 Windows、Linux）。
• 例子：
  • 时间片轮转调度（RR）
  • 最高优先级调度

2. 非抢占式调度（Non-Preemptive Scheduling）

• 进程自己决定 何时放弃 CPU，操作系统不会强制打断。
• 特点：
  • 适合批处理系统（如老式 DOS）。
  • 可能导致 某个进程长时间占用 CPU，影响系统响应。
• 例子：
  • 先来先服务（FCFS）
  • 最短作业优先（SJF）

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总结

调度方式	是否可被打断	适合场景
抢占式	✅ 可以随时被系统强制打断	多任务系统，如 Windows、Linux
非抢占式	❌ 进程自己放弃 CPU	批处理系统，如 DOS

📌 结论：现代操作系统大多采用 抢占式调度，保证系统流畅性和公平性！

1. 周转时间 (Turnaround Time)

定义：
周转时间是一个任务从提交到完成所经过的总时间。它包括了任务在系统中处理、等待等所有过程所花费的时间。
公式：
周转时间 = 完成时间 - 提交时间
举例：
假设任务 A 提交时间是 10:00，完成时间是 10:30，那么周转时间为 30 分钟。

2. 响应时间 (Response Time)

定义：
响应时间是指从用户发出请求到系统开始响应的时间延迟。这个时间不包括任务的处理时间，只关注系统给出反馈的时间。
公式：
响应时间 = 第一次响应的时间 - 提交时间
举例：
如果用户在 10:00 提交请求，而系统在 10:05 开始响应，那么响应时间为 5 分钟。

3. 等待时间 (Waiting Time)

定义：
等待时间是指一个任务在等待被处理的时间。它不包括任务的执行时间，只考虑任务在队列中等待的时间。
公式：
等待时间 = 周转时间 - 执行时间
举例：
假设任务 B 提交到系统的时间是 10:00，系统在 10:15 开始执行，执行时间是 10 分钟，那么等待时间是周转时间减去执行时间，即：
等待时间 = 周转时间 - 执行时间 = 25 分钟 - 10 分钟 = 15 分钟

小结

• 周转时间 = 任务完成所需的全部时间。
• 响应时间 = 系统对请求的响应延迟。
• 等待时间 = 任务在等待执行过程中消耗的时间。
  这些定义帮助我们衡量系统性能，特别是在操作系统和任务调度的上下文中。

进程调度与作业调度：

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一、进程（Process）与作业（Job）的区别

概念	定义	关键区别
作业	用户提交给操作系统的任务单元（如一个程序或脚本）。	宏观管理：作业是用户视角的任务集合，可能包含多个进程或步骤（如编译、运行）。
进程	操作系统分配资源（CPU、内存）的基本单位，是作业的执行实例。	微观执行：进程是操作系统视角的独立执行实体，具有独立的内存空间和运行状态。

示例：
用户提交一个数据分析作业（Job），该作业可能启动多个进程（如数据读取进程、计算进程、结果输出进程）。

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二、进程调度算法（CPU时间分配）

1. 先来先服务（FCFS）

• 机制：按进程到达就绪队列的顺序分配CPU，非抢占式。
• 优点：实现简单。
• 缺点：长进程会阻塞短进程（“护航效应”），平均等待时间长。

2. 短作业优先（SJF）

• 机制：优先执行预计运行时间最短的进程，可抢占或非抢占。
• 优点：最小化平均等待时间。
• 缺点：需预知运行时间，长进程可能“饥饿”（长时间得不到执行）。

3. 时间片轮转（Round Robin）

• 机制：为每个进程分配固定时间片（如10ms），超时后强制切换。
• 优点：公平性强，适用于交互式系统。
• 缺点：频繁上下文切换可能降低吞吐量。

4. 优先级调度（Priority Scheduling）

• 机制：为进程分配优先级，高优先级先执行。
• 问题：低优先级进程可能“饥饿”，需结合老化（Aging）技术动态提升优先级。

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三、作业调度算法（任务队列管理）

1. 先到先得（FIFO）

• 机制：按作业提交顺序分配资源。
• 缺点：大作业可能阻塞后续小作业，资源利用率低。

2. 短作业优先（SJF）

• 机制：优先调度预计运行时间短的作业。
• 优势：系统吞吐量高。
• 挑战：依赖准确的作业时间预测。

3. 最高响应比优先（HRRN）

• 公式：响应比 = ( \frac{\text{等待时间} + \text{预估运行时间}}{\text{预估运行时间}} )
• 设计目标：平衡等待时间与执行时间，避免长作业饥饿。

4. 多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）

• 机制：
  • 将作业分为多级队列，不同队列优先级和时间片不同。
  • 新作业进入高优先级队列，若未完成则降级到低优先级队列。
• 优势：兼顾响应速度与吞吐量，适应动态负载。

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四、调度算法的核心目标

调度类型	核心目标
进程调度	最大化CPU利用率，减少响应时间（如交互式系统需快速切换）。
作业调度	优化系统吞吐量，平衡资源分配（如批处理系统需高效完成大量任务）。

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五、关键总结

• 进程是执行的载体，作业是任务的逻辑单元。
• 进程调度关注微观的CPU时间分配，作业调度关注宏观的任务队列管理。
• 算法选择需权衡公平性、效率、响应速度与系统负载特性。