多级队列调度算法可视化界面_操作系统的调度

调度的定义

CPU并不只是简单的根据FIFO的规则来实现进程/线程的调度&＃xff1b;
如何结合考虑进程/线程的优先级、运行时间等多方面的因素&＃xff0c;实现合理、科学、高效得调度是本文要研究的核心内容&＃xff1b;

如上图中&＃xff0c;左侧是FIFO&＃43;优先级的综合调度&＃xff0c;右侧是FIFO&＃43;运行时间的综合调度&＃xff1b;

而所谓调度&＃xff0c;就是从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程/线程并将CPU等资源分配给它运行&＃xff0c;已达到并发的效果&＃xff1b;

调度的三个层次

高级调度&＃xff1a;磁盘 -> 内存&＃xff08;只会调度一次&＃xff0c;创建进程的过程&＃xff09;

磁盘上的程序软件可以有千千万万个&＃xff08;够大&＃xff09;&＃xff0c;但是内存相对磁盘而言&＃xff0c;是相当有限的&＃xff0c;一般内存就8G&＃xff0c;没法同时存放磁盘上所有的软件&＃xff0c;因此一般只会启动磁盘的一部分软件&＃xff0c;即创建相应的进程&＃xff0c;存储并运行在内存上&＃xff1b;

磁盘上的某个软件程序以作业形式提交后&＃xff0c;操作系统并不会立即就将其创建成新进程&＃xff0c;作业的提交需要先进入磁盘中的作业等待队列中&＃xff0c;CPU对这个等待队列中的作业以某种算法&＃xff08;通常思路是综合FIFO&＃43;优先级&＃43;***考虑因素&＃xff09;进行调度&＃xff1b;所以我们平常使用Windows点击某个.exe软件时&＃xff0c;界面上可能不会立马打开的软件窗口&＃xff0c;可能需要等待一会软件才“启动响应”&＃xff0c;这个过程其实就是新提交的创建进程的作业只是被放入等待队列中&＃xff0c;还没有被CPU从队列中调度出来并执行作业&＃xff1b;

这样的通过将作业提交至磁盘上的等待队列中&＃xff0c;等待CPU调度并创建进程&＃xff0c;然后将磁盘上的软件存储在内存的虚拟地址空间上&＃xff0c;并由CPU取指执行的过程即是本小节讨论的“高级调度”&＃xff1b;

中级调度&＃xff1a;磁盘->内存&＃xff08;会被调度多次&＃xff0c;处于挂起态的进程重新调入内存的过程&＃xff09;

由于内存是稀缺资源&＃xff0c;对于当前未处于运行态的某些进程&＃xff0c;不能“占着茅坑不拉屎”&＃xff0c;当前未处于运行态的进程被临时从内存置换到磁盘中&＃xff0c;等待该进程再次具备运行条件或者内存有足够余量时&＃xff0c;再重新调回内存&＃xff1b;这样做能极大提升内存利用率和系统吞吐量&＃xff1b;

这里的暂时将进程调到磁盘等待的进程状态&＃xff0c;被称为挂起状态

&＃xff08;注&＃xff1a;从这段话&＃xff0c;我们可以稍作思考&＃xff0c;进程的PCB和进程在内存中的虚拟地址空间&＃xff0c;在逻辑上应该是设计成分开存放的&＃xff0c;这样即便当进程的代码段、数据段等被置换到磁盘上&＃xff0c;该进程的PCB并不会被置换出去&＃xff0c;PCB仍旧在常驻内存中&＃xff0c;虽然在内存中具体存放位置&＃xff0c;我还不太清楚&＃xff0c;但PCB应该还在就绪队列或者阻塞队列指向的某个内存地址上&＃xff0c;这样的话&＃xff0c;操作系统才可以继续对该进程进行管理&＃xff0c;仍不会影响该进程在未来的某个时候可能会被分配CPU时间片&＃xff0c;并重新获得CPU使用权&＃xff09;

注意这张图&＃xff0c;虽然有两个进程从内存中被换到了磁盘中&＃xff0c;但是与其对应的两个PCB依旧放在常驻内存上&＃xff0c;接受操作系统的管理与调度&＃xff1b;

上面介绍了什么是挂起态&＃xff1a;因内存有限&＃xff0c;当前不在运行的进程被暂时调到外存&＃xff0c;此时进程的状态就是挂起态&＃xff0c;即没在运行、又没有就绪或阻塞&＃xff0c;更不是创建或终止&＃xff1b;

而根据进程挂起之前的状态进行细分&＃xff0c;可分为&＃xff1a;就绪挂起、阻塞挂起&＃xff1b;

不管是就绪挂起&＃xff0c;还是阻塞挂起&＃xff0c;都得是从磁盘重新调度到内存上&＃xff0c;才能重新被运行&＃xff1b;

在七状态模型中&＃xff0c;需要尤为注意的有&＃xff1a;

• 存储在外存的阻塞挂起进程可以因时间的响应&＃xff0c;直接在外存中转换成就绪挂起&＃xff0c;因为都是挂起&＃xff0c;所以进程依然是在外存上&＃xff1b;
• 当进程刚用完时间片&＃xff0c;可以直接从运行态&＃xff0c;变成就绪挂起态&＃xff1b;
• 当新的进程刚完成创建过程&＃xff0c;可能也会直接进入就绪挂起&＃xff1b;

而发生这一切的原因&＃xff0c;基本都是因为内存不够用了

低级调度&＃xff1a;即进程调度&＃xff0c;从就绪队列中取出进程&＃xff0c;将其转换成运行态&＃xff08;调度频率最高&＃xff09;

低级调度就是我们最常关注的多进程的管理与切换&＃xff0c;即选择合适的算法从就绪队列中选取一个进程&＃xff0c;并为其分配CPU等资源&＃xff1b;

三个层次的调度对比&＃xff1a;

操作系统调度总结