1、处理与调度的概念

在现代操作系统中，处理指的是CPU对程序指令的执行过程，调度是操作系统管理和分配系统资源（如CPU、内存、I/O设备等）的核心机制。调度通过合理地管理这些资源，使得多个进程和线程可以并发执行，并尽可能高效地完成任务。

调度的主要任务是决定哪个进程或者线程在何时获得CPU的使用权。在多道程序设计和多任务处理的环境下，调度对于系统性能至关重要，它确保了系统资源的合理分配和高效利用。

2、调度的层次

操作系统里的“调度”不是单一动作，而是从外存 → 内存 → CPU 这条路径上，不同阶段有不同的调度决策。越靠近 CPU，调度频率越高、时间粒度越细。

所以通常分为三层：

1. 作业调度（高级调度）：决定哪些作业从外存进入内存。

2. 内存调度（中级调度）：决定哪些进程留在内存，哪些被换出到外存。

3. 进程调度（低级调度）：决定哪个就绪进程获得 CPU。

（1）作业调度（Job Scheduling）

定义：作业调度是操作系统负责在系统中选择和加载作业（Job）执行的过程。作业调度的目的是决定哪些作业从外存（磁盘、存储介质等）转移到内存中，以便执行。

职责：决定哪个作业进入系统，系统中存储的作业通过调度变得可以执行。

触发时机：通常在作业被提交到系统时触发，或者在系统空闲期间触发。

作业调度策略

• 批处理作业调度：主要用于在一定时间内批量执行作业，通常是一次性任务，如编译任务。

• 交互式作业调度：用于对用户输入作出响应的任务，适用于交互式计算环境。

作业调度算法

• FCFS（First-Come, First-Served）：先来先服务，按照作业到达顺序调度。

• SJF（Shortest Job First）：优先调度估计运行时间最短的作业。

• 优先级调度：根据作业的优先级进行调度。

（2）进程调度（Process Scheduling）

定义：操作系统根据某些调度策略决定哪个进程在何时执行的过程。进程调度关注的是 CPU 的分配。

职责：决定哪个就绪进程获得 CPU 使用权。

触发时机：进程调度在进程从就绪态进入运行态时发生。也可能发生在进程因 I/O 阻塞、时间片用尽、优先级变化等原因时。

进程调度策略

• 轮询调度（Round Robin）：每个进程分配一个固定的时间片，时间片到期后，将进程放回就绪队列，CPU 分配给下一个进程。

• 优先级调度：根据进程的优先级来调度进程，优先级高的进程先执行。

• 多队列调度：将进程根据优先级或行为类型划分为多个队列，每个队列有自己的调度策略。

（3）内存调度（Memory Scheduling）

定义：操作系统决定如何在内存中分配空间给不同进程的过程。它决定哪些进程能够驻留在内存中，哪些进程需要被换出到磁盘。

职责：管理内存中进程的驻留与换出，本质是虚拟内存管理的一部分。

触发时机：

• 内存紧张时，需要换出某些进程腾出空间。

• 被换出的进程重新具备运行条件时，需要换入。

• 通常与对换（Swapping）机制配合。

• 内存调度算法：
  • 最少使用页面置换（LRU，Least Recently Used）：选择最近最少使用的页面进行换出。
  • FIFO（First In, First Out）：最早进入内存的页面优先被换出。
  • 最佳页面置换：选择未来最长时间内不再使用的页面进行置换。

3、三层调度的联系与对比

外存中的作业
   ↓ 作业调度（高级）
内存中的进程
   ↓ 内存调度（中级，换入换出）
内存中驻留的就绪进程
   ↓ 进程调度（低级）
CPU 上运行

作业调度、进程调度和内存调度都与系统资源的有效利用密切相关。三者共同配合，以确保系统能够高效地处理多任务并保持高吞吐量和低响应时间。

作业调度与进程调度：

• 作业调度决定哪些作业进入内存，进程调度决定内存中的进程什么时候运行。
• 作业调度和进程调度之间的联系是，作业调度负责决定哪些作业加载进内存，而进程调度则负责在内存中选择和调度具体的进程执行。

进程调度与内存调度：

• 进程调度和内存调度是紧密联系的。进程调度决定进程何时占用CPU，而内存调度决定进程是否可以在内存中执行。当内存不够时，进程调度和内存调度需要配合工作，将不活跃的进程换出内存。

对比：

• 作业调度主要处理外存到内存的迁移，关心作业的加载，而进程调度关心的是内存中进程的运行安排，内存调度主要负责内存的管理和分配。
• 作业调度相对较少发生，进程调度发生频繁，而内存调度则主要在内存不足时发生。

4、进程的挂起态

进程的挂起态（Suspended）是指进程被操作系统从运行队列中移除并暂时停止执行，但并未完全终止。在挂起态下，进程的资源仍然存在于内存中，只是不能继续运行，通常需要等待某些条件满足才能恢复。

挂起的原因：

• I/O等待：进程请求的I/O设备或资源不可用时，可以挂起等待资源。
• 内存不足：当内存资源紧张时，操作系统可能会将一些进程挂起，直到足够的内存空间释放出来。
• 用户请求：进程可能被用户请求挂起，例如使用操作系统提供的挂起/恢复功能。

挂起态的进程在挂起时，操作系统会将其保存在一个特殊的队列中，等待条件满足后再重新调度到就绪队列中。

5、七状态模型

进程的状态通常用一个七状态模型来描述，这个模型对进程在不同阶段的状态进行了细致划分：

• 新建态（New）：进程刚刚被创建，尚未进入就绪队列，操作系统还在为其分配资源。
• 就绪态（Ready）：进程已准备好执行，等待CPU的分配。当系统有空闲的CPU时，进程会从就绪队列中被调度执行。
• 运行态（Running）：进程被分配到CPU，正在执行中。
• 阻塞态（Blocked）：进程因等待某些事件（如I/O操作）而无法继续执行，它需要等到某些资源可用后才能恢复执行。
• 挂起态（Suspended）：进程被暂停执行，但不会终止，通常是等待某些条件，如I/O资源的释放。
• 完成态（Terminated）：进程执行完成或被异常终止，所有资源已被释放，进程将被系统移除。
• 等待态（Waiting）：类似于阻塞态，表示进程正在等待特定的事件发生，通常是等待外部资源的提供。

七状态的联系与切换：

• 从就绪态到运行态：当CPU空闲时，调度器会从就绪队列中选择一个进程运行。
• 从运行态到阻塞态：进程在运行过程中，如果需要等待I/O操作，便会进入阻塞态。
• 从阻塞态到就绪态：当等待的I/O操作完成，进程会回到就绪队列，等待CPU的分配。
• 从就绪态或运行态到挂起态：在资源不足时，进程可以被挂起，进入挂起态。
• 从挂起态到就绪态：当资源条件满足时，进程可以恢复，回到就绪队列。
• 从运行态到完成态：进程执行完毕或被异常终止，进入完成态。

七状态模型是现代操作系统中对进程生命周期的详细描述，它帮助理解进程状态的转换以及操作系统如何管理进程的执行。