第六讲 进程控制与调度 目的与要求：理解进程切换过程，理解进程调度原因及调度切换时机，掌握进程调度方式与实现及各种调度算法，弄清作业和进程的关系，了解线程的引入原因。 重点与难点：进程切换的实现与进程调度算法。 作业：7, 8, 10, 11, 19, 20。

主要内容 进程控制与调度: 进程执行； 进程调度； 调度算法。 作业与进程关系; 线程的引入。

3.3 进程控制与调度 3.3.1 进程执行 系统参考模型：内核嵌入进程运行模型。 执行模式：进程可在用户态和核心态下运行。 3.3 进程控制与调度 3.3.1 进程执行 系统参考模型：内核嵌入进程运行模型。 执行模式：进程可在用户态和核心态下运行。 进程模式切换：一个用户进程既运行用户态程序,也在自陷、系统调用和中断时转换到核心态运行操作系统核心程序。 进程切换：指进程进入操作系统核心后，因为自身等事件或有更迫切需要运行的进程就绪而放弃处理机,而处理机转去运行其他进程。

进程切换过程 保存处理机的上下文，包括程序计数器、程序状态字、其他寄存器。 修改当前运行进程的进程控制块内容，包括将进程状态从运行态改成其他状态。 选择另一个进程执行，这是进程调度所涉及到的内容。 修改被调度进程的进程控制块，包括把其状态改变到运行态。 修改存储管理数据结构，如将系统当前运行进程页表指针改为指向选定的进程页表。 恢复被选进程上次切换出处理机时的处理机现场，按原保护的程序计数器值重置程序计数器，运行新选进程。

3.3.2 进程调度 特指选择进程占用处理机。 1.一般调度概念 1）什么是调度：操作系统管理了系统的有限资源，当有多个进程（或多个进程发出的请求）要使用这些资源时，因为资源的有限性，必须按照一定的原则选择进程（或请求）来占用资源。这就是调度。 2）调度目的：控制资源使用者的数量,选取资源使用者并许可占用资源或占用资源。

3）几个调度例子： 高级调度。选取输入井中的作业（仅限于批作业调度)，生成根进程。目的是控制使用系统资源的进程数。 中级调度。指选取进程占用内存或有资格占用内存，又称进程滚入滚出。 低级调度。指选取进程占用处理机,又称进程调度。

2.进程调度方式 1）剥夺调度:当进程运行时可以被系 统以某种原则为由剥夺其处理机。 2）非剥夺:只有当处理机上的进程主 动放弃处理机时，才重新调度。 进程调度在核心态进行。

3.引起进程调度因素 1）进程主动放弃处理机时： （1）正在执行的进程执行完毕。操作系统在处理进程结束、系统调用后，应请求重新调度。 （2）正在执行的进程发出I/O请求，当操作系统代其启动外设I/O后，在I/O请求没有完成前要将进程变成阻塞状态，应该请求重新调度。 （3）正在执行的进程要等待其他进程或系统发出的事件时，如等待另一个进程通信数据，这时操作系统应将现运行进程挂到等待队列，并且请求重新调度。 （4）正在执行的进程得不到所要的系统资源，如要求进入临界区，但没有得到锁时，这时等锁的进程应自动放弃处理机或者阻塞到等锁队列上，并且请求重新调度。

2）为了支持可剥夺的进程调度方式，在以下情况发生时，因为新就绪的进程可能会按某种调度原则剥夺正运行的进程，因此也应该申请进行进程调度： （1）当中断处理程序处理完中断（如I/O中断、通信中断），引起某个阻塞进程变成就绪状态时，应该请求重新调度。 （2）当进程释放资源、走出临界区，引起其他等待该资源进程从阻塞状态进入就绪状态时，应该请求重新调度。 （3）当进程发出系统调用，引起某个事件发生，导致等待事件的进程就绪时。 （4）其他任何原因引起有进程从其他状态变成就绪状态，如进程被中调选中时。

3）为了支持可剥夺调度，即使没有新就绪进程,为了让所有就绪进程轮流占用处理机，可在下述情况下申请进行进程调度： （1）当时钟中断发生,时钟中断处理程序调用有关时间片的处理程序，发现正运行进程时间片已到时，应请求重新调度，以便让其他进程占用处理机。 （2）在按进程优先级进行进程调度的操作系统中，任何原因引起进程的优先级发生变化时，应请求重新调度。如进程通过系统调用自愿改变优先级，或者系统处理时钟中断时，根据各进程等待处理机时间的长短而调整进程的优先级。

4.调度与切换时机 （1）当发生引起调度条件变化，且当前进程无法继续运行下去（如发生各种进程放弃处理机的条件）时，可以马上进行调度与切换。 （2）当中断处理结束或自陷处理结束，返回被中断进程的用户态程序执行前，若请求置上调度标志，即可马上进行进程调度与切换。如果操作系统支持这种情况下运行调度程序，即实现了剥夺方式的调度。 （3）实时系统还有其他调度与切换时机。

FCFS:谁先到就绪队列就将处理机分给谁。 3.3.3 进程调度算法 FCFS:谁先到就绪队列就将处理机分给谁。 短进程优先:取一个下次所需运行时间最短的进程(该算法能使平均等待时间最短)。 优先级调度:选优先级最高的进程占用处理机（优先级可动态改变）。 轮转调度法:以先来后到的次序+ 时间片轮转。 多队列调度法:按属性将就绪进程分类,不同类进程可有不同的调度算法。 多级反馈队列调度法:设置多条就绪队列,进程被调度执行后,在被剥夺或放弃处理机后而在就绪时，可以改变其就绪队列(见下图）。

第一级队列 (FIFO) … 使用处理机 完成 抢占 第二级队列 第n级队列 （时间片轮转）

设计另一个多级反馈队列调度算法的例子: 以优先级设置多队列。 各队列的调度算法采用FCFS+时间片轮转. 进程优先级升降原则是:等待过久升,输入/输出完成时升,运行完一个完整时间片降…… 进程最初进入就绪队列以用户初置优先级为参数。

3.4 作业与进程的关系 作业:是用户对计算机的一次独立的使用过程。 3.4 作业与进程的关系 作业:是用户对计算机的一次独立的使用过程。 进程:是分配计算机资源的单位,是用户任务运行的实体。作业可包含多个进程(至少一个)。 批处理系统作业与进程关系：作业调度程序每选择一道作业运行时,首先为该作业创建一个根进程。该进程执行作业控制语言解释器程序,并可根据需要创建多个子进程。

作业和进程状态转换图 提交 后备 运行 完成 作业输入 作业调度 创建进程 作业终止 就绪 执行 等待 进程调度

分时系统作业与进程 的关系：把用户的一次上机过程看成是一个交互作业(无论是内部表示及外部特征,它都有别于批作业),系统为每个终端设备生成一个进程，该进程运行终端命令解释器。该进程根据需要还可以创建多个子进程。 支持分时与批处理的系统作业提交方法：用户可以通过交互式命令提交子作业(如:at-f/root/ bin/ss now 表示提交一个作业控制说明书文件名为ss的作业，到作业输入队列，或直接键入“shell ss”，表示马上生成一个进程执行命令解释器,解释执行ss中的命令) 。

命令解释程序执行流程： 输入一条终端命 令,分析命令 后台命令 创建子进程执行命令 等子进程返回 向终端发提示符 否

3.5 线程引入 1.轻权进程（light-weight process）的引入 引入进程是为了实现作业内作业步的并发执行，同一作业进程之间会有许多的协作，需要进行数据交换，但进程有自己独立的存储空间，互相不干扰。如果要进行进程间数据交换，则需要操作系统的相关系统调用支持，为了方便进程间交换数据，一种共享存储空间的进程概念应运而生，我们叫它为轻权进程（light-weight process）。

2.线程的引入 随着共享内存多CPU计算机的发展，迫切需要加速单个作业步的运行速度。事实上同一个作业步的工作也是有可并行成分的，由于进程内程序执行的顺序性，不可能实现进程内可并行成分的并行执行。为此，线程的概念呼之欲出。在一个进程中可以包含多个可以并发（并行）执行的线程。系统按进程分配所有除CPU以外的系统资源（如内存、外设、文件等），而程序则依赖于线程运行，系统按线程分配CPU资源。引入线程后，进程概念内涵改变了，进程只作为除CPU以外系统资源的分配单位，不再以进程为单位占用CPU 。

进程与线程关系图 进程1 进程2 线程 进程3