第二章 行程管理 朱肇明 資管系 講師 大華技術學院

行程(process) 行程就是一個執行中的程式。 行程包括了 程式區段 資料區段 堆疊區段 CPU 中各暫存器的值(行程執行時所需控制資訊)

行程(process)與程式(program) 程式是放在外部的儲存裝置如硬碟上，而行程則放在記憶體中。 程式在儲存裝置中是靜態的，而行程在記憶體中是動態的，它會隨著一些事件的發生而產生相對的改變。 行程，簡單來說，就是一個執行中的程式。

行程的狀態 一個行程在執行過程中，會改變很多狀態。 一個行程的狀態通常有下列幾種： 建立 執行 懸置 就緒 終止

行程狀態轉換圖 建立 允許進入 離開 中斷 終止 就緒 執行 分派 事件發生 等待事件 懸置

行程控制區塊 行程控制區塊（PCB)，儲存行程在執行時相關的資訊。 PCB 中通常包括了 行程狀態 CPU 暫存器 排程資訊 I/O 狀態 當行程進行切換時，需要將目前行程的相關資訊記錄在該行程的 PCB 中，並將另一個行程的 PCB 載入至系統中，這個動作稱為內文切換。

行程控制區塊 行程狀態 鍵結 識別碼 記憶體管理資訊 程式計數器與其他暫存器 已開啟檔案串列 ：

行程的佇列 一個行程在執行期間會在各種不同的佇列中進出。 一個系統中通常有 工作佇列 就緒佇列 等待佇列 裝置佇列

就緒佇列與裝置佇列 ….. head tail 暫存器 … 就緒佇列 磁碟裝置佇列 行程等待佇列 行程控制區塊b 行程控制區塊l 行程控制區塊n 行程控制區塊P 行程控制區塊a

行程的切換 行程A 作業系統 行程B 中斷或系統呼叫 將狀態儲存至PCB A 執行中 閒置 由 PCB B 載入狀態 將狀態儲存至PCB B

內文切換 當 CPU 的使用權由一個行程轉到另一個行程時需進行內文切換。 內文切換動作所花的時間對系統而言是額外的負擔 。 執行緒降低內文切換所花的時間。

行程排程 為了增加 CPU 的使用效率而提出多個行程的觀念。 一個單 CPU 的系統來說，隨時只能有一個行程在執行。 當行程不只一個的時候，如何選擇最適當行程來執行就是行程排程。 如何排程是影響作業系統效能最重要的因素。

排程效能的衡量 使用率 產量 回覆時間 等待時間 反應時間 可預測性 公平性

先到先做排程法 First Come, First Served FCFS Scheduling 不可搶先排程法 先進入的行程先執行。

先到先做排程法 - 範例 行程 CPU 暴衝時間（毫秒） P1 20 P2 5 P3 5 P1 P2 P3 20 25 30 20 25 30 平均等待時間：(0 + 20 + 25）/ 3 = 15 毫秒 P2 P3 P1 5 10 30 平均等待時間：(10 + 0 + 5）/ 3 = 5 毫秒

最短工作優先排程 Shortest Job First 不可搶先排程法 需要的時間最短者先執行。 如果不只一個行程有相同最短時間則以 SJF Scheduling 不可搶先排程法 需要的時間最短者先執行。 如果不只一個行程有相同最短時間則以 FCFS決定

最短工作優先排程– 範例圖示 行程 CPU 暴衝時間（毫秒） P1 15 P2 4 P3 3 P3 P2 P1 3 7 22 3 7 22 平均等待時間：（7 + 3 + 0）/ 3 = 3.3 毫秒 時間 若使用 FCFS 排程法，行程到達的順序為 P1、P2、P3 則平均等待時間：（0 + 15 + 19）/ 3 = 11.3 毫秒 FCFS 的平均等待時間大約為 SJF 的 3.4 倍。

最短剩餘優先排程 SJF 也可以是可搶先的。 可搶先的 SJF 排程又稱為最短剩餘時間優先的排程法(SRT)

最短剩餘優先排程– 範例 行程 CPU 暴衝時間（毫秒） 到達時間 P1 6 0 P2 3 1 P3 7 2 P4 4 3 P1 P2 P4 時間　０ １ ４ ８ １３ ２０ 平均等待時間：（7 + 0 + 11 + 1）/ 4 = 4.75 毫秒

優先權排程 Priority Scheduling 可為不可搶先排程法或不可搶先排程法 最高優先權的行程先執行 Highest Priority First

優先權排程 – 範例 使用不可搶先的優先權排程 優先權數值愈小代表優先權愈高 行程 CPU 暴衝時間（毫秒） 優先權 P1 6 2 時間　０ ５ ９ １５ １８ ２５ 平均等待時間：（9 + 0 + 18 + 5 + 15）/ 5 = 9.4毫秒

循環分時排程 Round-Robin Scheduling 將時間等切成一小片一小片的時間切片，每一個時間切片則為每個行程每次得到 CPU 使用權後可執行的時間。 特別為分時系統所設計，為可搶先的。

循環分時排程 – 範例 行程 CPU 暴衝時間（毫秒） P1 6 P2 5 P3 7 (時間切片為 5 毫秒) P1 P2 P3 P1 P1 5 9 13 18 25 平均等待時間：（8 + 5 + 9）/ 3 = 7.33 毫秒

多層佇列排程Multilevel Feedback Queue Scheduling 方法： 將行程分類，相同類型的行程分在同一佇列，而每一佇列都有自己的排程方法。 最常見的分類將行程分成 前景（互動）行程 - RR 排程法 背景（批次）行程 - FCFS 排程法 佇列與佇列之間還有優先權的關係，且佇列之間還需要另一個整體排程方法 可搶先的固定優先權排程法 可能會產生飢餓的現象。

多層佇列排程法 – 圖示 高優先權 系統行程 伺服精靈行程 使用者行程 批次行程 低優先權

多層反饋佇列排程 多層反饋佇列排程法允許行程在各個佇列間移動。 CPU 暴衝時間愈長的行程就移到優先權比較低佇列中。 能避免飢餓的現象發生。

多層反饋佇列排程 – 圖示 A: 時間切片 = 5 ms B: 時間切片 = 20 ms C: FCFS