进程调度和进程切换区别，进程调度又称为低级调度

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进程调度是操作系统中的一种机制，它被用来管理计算机中正在运行的多个进程并在它们之间分配CPU的时间片。当计算机中有多个进程想要使用CPU时，操作系统就必须通过进程调度来为这些进程分配CPU的时间，从而使它们在合理的时间内得到执行。

进程调度功能包括实现多任务并行执行、实现系统的高效性、资源有效利用等。进程调度是一种抢占式的机制，操作系统可以中断正在执行的进程，并执行新的进程。这样可以保证所有进程都能得到执行的机会，并比较公平地使用CPU时间。

2. 进程调度的目的

为了能在多个进程间实现并行处理，必须采用一种调度机制来进行进程的切换，这就是进程调度的目的。进程调度需要实现以下几个目的：

（1）提高 CPU 利用率：当一或多个进程使用 CPU 时，操作系统会对它们进行调度，从而使 CPU 得到最充分的利用。

（2）确保公平性：操作系统需要确保每个进程都可以得到适当的 CPU 时间，否则某些进程可能会被长时间占用 CPU。

（3）提高系统吞吐量：通过优化进程调度，可以提高系统吞吐量，从而更好地满足用户需求。

（4）确保系统响应性：高效的进程调度机制可以在进程的等待时间不会浪费 CPU 资源，从而保证系统在用户的请求下能够及时响应并作出相应的动作。

3. 进程调度的分类

进程调度根据时间点的不同，可以分为两大类：前台调度和后台调度。

（1）前台调度：是指当进程要求启动时，操作系统会先调度它以使用 CPU。例如，当用户单击某个程序时，操作系统会立即为该程序分配 CPU 资源。

（2）后台调度：当多个进程同时发起请求后，操作系统会将它们放入调度队列中，并进行后台调度。例如，当多个程序同时发起请求时，操作系统将它们的进程都放置在一个调度队列中，然后按照一定的算法进行调度。

根据执行方式的不同，进程调度分为以下几种：

（1）非抢占式调度：这种类型的调度技术是一种基于时间片的调度，即等待一个进程的时间片用完后，之后才会调度下一个进程，或者等一个进程主动放弃 CPU 后才会继续调度下一个进程。

（2）抢占式调度：这种类型的调度技术能立即中断某个进程，转而为 CPU 分配并执行优先级更高的进程。这种调度技术一般用于实时系统。

（3）协作式调度：进程的控制权只能由该进程主动放弃才能被另一个进程取得。在这种情况下，CPU 时间的分配和进程的调度是由进程自己完成的。

4. 进程调度的算法

在进程调度中，选择合适的调度算法对 CPU 的使用效率有很大的影响。针对不同的应用场景和环境，有多种进程调度算法，以下是一些常见的调度算法。

（1）先来先服务 (First Come First Served，FCFS)

FCFS算法是最简单的进程调度算法，它是一种非抢占式调度算法。它的主要思想是队列调度，先来先服务，即依照进程到达的时间先后顺序进行排队，按照进程到达的先后次序进入等待队列，进程等待的时间是由后到先递减的。

（2） 最短作业优先 (Shortest Job First，SJF)

此算法基于进程的时间需求，选择最短执行时间的进程，是非常常用的抢占式调度算法。如果进程的所有执行时间被保存，则可以通过调度一些最短时间需求进程来减少平均等待时长。它会考虑进程所需要的 CPU 时间，并且会在所有进程中选出执行时间最短的那个进程最先执行。

（3）轮换调度 (Round Robin，RR)

轮换调度是抢占式的调度算法，它是一种基于时间片的调度顺序，即按照进程到达的先后次序先进入等待队列，依次执行程序。每个程序在设定的时间片内执行，如果该进程未执行完，则将其暂停，进入等待队列，等待下一次调度，而被执行的下一个程序进入 CPU 执行。

（4）优先级调度 (Priority Scheduling)

优先级调度算法将进程分成不同的优先级，每一类进程有不同的权值。然后，将同一优先级内的进程按照 FCFS 的方式进行调度.然而，这个算法会存在一个问题，可能会导致进程饥饿，因为拥有较低优先级的进程可能无法得到执行。

（5） 多级反馈调度 (Multilevel Feedback Queue)

实现多级反馈调度需要为每一个进程制定一个初始时间片，若该进程所需要的运行时间大于等于其分配时间片，则执行新的调度，否则将该进程放置到队列尾部等待调度，与 FCFS 算法类似。然而，此算法适用于大多数的进程情况，这样即使小的进程也可以得到优先考虑。

5. 进程调度的实现

进程调度的实现方式主要分为内核级调度和用户态调度两种。

（1）内核级调度

内核级调度也被称为内核调度，是由操作系统内核进行调度的方式，其中包括进程阻塞，进程就绪，进程运行等操作的调度。因为这个级别较高的原因，因此执行速度快，效率高。

（2）用户态调度

用户态调度也被称为进程级调度，是由用户空间中的任务来进行调度，其中包括进程创建，进程终止，信号处理等操作。用户态调度的优势在于许多进程可以同时运行，因为每个进程可以根据需要进行自己的内存管理。

6. 进程调度的优化

针对不同的应用环境和需求，可以使用不同的进程调度策略来优化进程调度，达到更好的性能和效果。

（1）负载均衡

在多处理器系统中，可以通过负载均衡来优化进程调度。这种方法允许多个 CPU 同时处理多个进程，从而快速提高执行效率。 负载均衡可以在所有可用 CPU 上创建并调度进程，并根据每个 CPU 的要求来分配任务，从而使每个 CPU 得到均衡的负载。

（2）实时响应

对于实时系统，比如控制系统和网络服务，需要保证系统能够及时响应，必须使用抢占式调度算法。它确保在需要的时候，可以快速停止正在执行的进程，并使已准备好的优先级高的进程立刻获得 CPU。

（3）优先级

在使用优先级调度算法时，可以根据进程的特定需求和关键性选择合适的优先级，并根据需要动态修改进程的优先级。同时，可以设置定时器或工作线程来监控每个进程的运行情况并及时对其进行调度。

7. 操作系统中的实现

在操作系统中，进程调度功能由内核实现，因为进程调度直接涉及到内核级别的操作。一般来说，当新的进程启动时，操作系统先将它放入挂起队列中，等待调度。内核调度程序在执行时，它会从等待队列中选择一个进程，然后为它分配 CPU 资源。当该进程执行完后，它将会被放回队列中，并等待下一次调度。

操作系统内核中的调度程序在不同的操作系统中实现不同，因为不同的操作系统中要完成不同的任务和功能。 Windows 中使用 Round Robin 算法和优先级算法，Linux 中使用 O(1) 调度算法和 CFS，而 Mac OS 中使用 XNU 内核，采用类似于 Linux 的 CFS 调度算法。

8. 结论

进程调度是操作系统的核心机制之一，它是操作系统管理多个进程的重要手段。通过运用不同的进程调度算法，操作系统可以提高 CPU 的使用效率，并确保每个进程获取适当数量的 CPU 时间。因此，进程调度的优化对于系统的高效性以及系统响应用户的能力至关重要。

尽管不同的应用场景和环境需要使用不同的技术，但通过了解进程调度的原理和实现，可以更好地理解如何更好地为系统分配资源，提高系统的性能和可用性。

一、进程调度的定义及背景

1. 进程调度的定义

进程调度是指对CPU资源进行分配和调度的过程，确保系统中的所有进程都能够得到恰当的CPU资源。进程调度是操作系统的一个重要功能，它决定了进程在系统中的运行顺序，决定哪个进程首先得到CPU，哪个进程接着获得CPU，以及如何处理并发和竞态条件。

2. 进程调度的背景

进程调度是早期多道程序设计中的核心概念之一。在早期的计算机系统中，CPU资源是宝贵而稀缺的，只有一台计算机处理一个进程，其他进程必须等待CPU资源。这种瓶颈会导致系统效率低下，因此出现了多道程序设计的思想，即在一个系统中同时运行多个进程，切换进程的优先级可以提高系统的效率。

进程调度的诞生就是为了解决多道程序设计中的一个问题：如何控制进程的切换，确保每个进程都能获得足够的时间片？

二、进程调度的分类

1. 静态调度与动态调度

静态调度是指在程序运行之前，操作系统便已将所有进程的优先级等信息预先设定好，运行过程中不再进行调度的方式。而动态调度则是在程序运行过程中根据进程的优先级、队列情况、CPU使用率等实时情况进行动态调度。

2. 非抢占式调度与抢占式调度

非抢占式调度指当进程获得CPU后，除非自己主动放弃或等待I/O操作，否则就可以一直运行下去，不会被其他进程抢占。抢占式调度则是指，当有更高优先级的进程就绪，操作系统会强制停止当前进程，并将CPU资源分配给更高优先级的进程。

3. 单级队列调度与多级队列调度

单级队列调度指所有进程都在同一个队列中等待CPU资源，由谁等待的时间最长，谁就先得到CPU。多级队列调度则是将进程按照优先级分成多个队列，在不同优先级队列中进行调度，高优先级的队列优先得到CPU资源。

三、进程调度算法

进程调度算法是指在操作系统中用来调度进程的具体规则和方法。

1. 先来先服务（FCFS）算法

先来先服务（First-Come, First-Served）算法也叫作先到先服务算法，是最早的一种进程调度算法。FCFS算法按照进程到达的时间顺序进行调度，也就是先来的先得到CPU资源，后来的必须等待前面的进程完成后才能运行。

2. 短作业优先（SJF）算法

短作业优先（Shortest Job First）算法是一种非抢占式调度算法，按照进程执行时间从短到长进行排序。SJF算法可以避免长作业占用CPU导致其他短作业等待时间过长的问题。但是，由于系统无法预测一个进程执行的时间，因此SJF算法可能会导致一些进程等待时间过长而得不到CPU资源。

3. 优先级算法

优先级算法也是一种非抢占式调度算法，它根据每个进程设定的优先级进行调度。系统会根据优先级来选择下一个要获得CPU资源的进程，优先级高的进程优先得到CPU资源。如果有多个进程的优先级相同，则按照先来先服务的原则进行调度。

4. 时间片轮转算法

时间片轮转（Round Robin）算法是一种抢占式调度算法。系统将CPU时间分成一段段小的时间片，通常是几十毫秒到几百毫秒，然后将这些时间片分配给多个进程使用。当一个进程用完了一个时间片，操作系统将该进程挂起，重新开始轮流分配时间片给其它进程。轮流分配时间片的过程一直进行下去，直到所有进程都完成了自己的任务。

5. 多级反馈队列算法

多级反馈队列（Multi-Level Feedback Queue）算法是一种综合了多个进程调度算法的调度算法。MLFQ算法将进程按照优先级分成多个队列，并且每个队列的时间片不同。进程到达后首先分配在最高优先级的队列，当进程在该队列中运行了一段时间后如果没有完成，它就被转入到下一个低优先级队列中。这个过程一直进行下去，直到进程完成它的任务。

四、现代操作系统中的进程调度

在现代操作系统中，进程调度算法往往复杂多样，常常将多种调度算法结合使用。

1. Linux内核中的进程调度

Linux内核采用了完全公平调度（CFS）算法来分配CPU资源，CFS算法是一种完全基于信息的调度方法，它通过时间片来实现公平分配CPU资源。CFS算法将每个进程的虚拟运行时间（Virtual Runtime）作为进程调度的关键量，这个时间的单位是CPU时钟周期。在CFS算法中，操作系统会为每个进程维护一个进程实体（task_struct），记录进程的相关信息，如优先级、运行时间等。进程的优先级取决于它的虚拟运行时间，当一个进程的运行时间越长时，它的优先级就越低。因此，如果一个进程长时间得不到CPU资源，那么它的优先级会不断提高，直到它得到CPU为止。

2. Windows内核中的进程调度

Windows内核中采用多种进程调度算法，包括先来先服务算法、时间片轮转算法、优先级算法、多级队列算法等。

在Windows中，每个进程都有一个进程控制块（Process Control Block，PCB）数据结构，用来描述进程的状态、优先级、时间片等信息。Windows中的时间片通常是20ms，每个进程都会被分配一个时间片。当一个进程使用了它的全部时间片后，操作系统会将它从CPU中移除，并将它送往调度队列的尾部。如果当前有更高优先级的进程需要运行，那么它可以抢占当前进程，并获得CPU资源。每个进程都有一个优先级，进程的优先级越高，就越容易得到CPU资源。当一个进程的优先级达到一定值时，该进程就会被提升到更高的调度级别，以更快地获得CPU资源。

3. iOS内核中的进程调度

iOS采用时间片轮转算法作为进程调度算法，与Linux类似。不同之处在于，iOS将时间片长度定为10ms，而且在每个时间片结束后，操作系统会检查所有就绪的进程，重新根据优先级分配时间片。

在iOS中，进程的状态较为简单，只有三种状态：运行、就绪和阻塞。每个进程都有一个进程控制块（Process Control Block，PCB）数据结构，用来描述进程的状态、优先级、时间片等信息。在iOS中，进程的优先级是动态变化的，它可以受到用户行为、进程阻塞等因素影响。系统会自动控制进程的优先级，以保证系统的运行稳定性和响应性。

五、总结

进程调度是操作系统的一个重要功能，它主要用来分配CPU资源，确保系统中的所有进程都能够得到恰当的CPU时间。进程调度算法包括静态调度和动态调度、非抢占式调度和抢占式调度、单级队列调度和多级队列调度等。在现代操作系统中，进程调度算法往往复杂多样，常常将多种调度算法结合使用。不同的操作系统采用不同的进程调度算法和实现方式，但它们的目标都是提高系统的性能和响应性。

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