操作系统笔记：进程调度（Process Scheduling）

一、什么是进程调度

进程调度（Process Scheduling） 是操作系统中负责选择下一个要运行的进程的一项核心功能。在多道程序设计系统中，多个进程竞争CPU资源，调度器根据特定策略选择一个进程运行。

目标：

• 提高CPU利用率
• 提高系统吞吐量
• 减少平均等待时间
• 保证响应时间
• 实现公平性与优先级

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二、调度类型

调度类型	说明
长程调度（Long-term）	决定哪些进程进入就绪队列
中程调度（Mid-term）	暂停/恢复进程（换出/换入）以节省内存
短程调度（Short-term）	选择哪个就绪进程获得CPU（核心调度器）

实际中，主要关注短程调度，即CPU调度。

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三、调度时机

进程调度的典型触发场景包括：

1. 进程从运行状态 → 阻塞（如等待I/O）
2. 进程从运行状态 → 就绪（时间片耗尽）
3. 进程终止
4. 优先级更高的进程进入就绪队列（抢占式调度）

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四、调度方式：非抢占 vs 抢占

类型	描述	特点
非抢占式	一旦CPU被分配，直到终止或阻塞	简单、安全，但响应差
抢占式	系统可中断当前运行进程调度他人	响应快，但复杂

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五、常见调度算法（经典）

1. 先来先服务

• 按照进程到达时间先后执行
• 非抢占式
• 简单易实现，但容易造成长作业阻塞短作业

2. 短作业优先（SJF）

• 按预估CPU时间从短到长排序
• 非抢占式 or 抢占式（抢占版本称为最短剩余时间优先SRTF）
• 最优平均等待时间，但难以预知作业时间

3. 时间片轮转（RR）

• 所有进程轮流执行，每次限时（时间片）
• 抢占式，公平性强
• 时间片大小影响性能与响应（小 → 响应好，切换多）

4. 优先级调度

• 为每个进程分配优先级
• 可抢占式或非抢占式
• 可能导致饥饿（低优先级长期不运行）
• 可引入**老化机制（aging）**缓解饥饿

5. 多级队列调度（Multilevel Queue）

• 不同优先级进程分配到不同队列
• 每个队列使用不同算法（如前台RR，后台FCFS）
• 队列之间不可交互（静态）

6. 多级反馈队列调度（MFQ）

• 类似多级队列，但允许进程在不同队列间迁移
• 初始放高优先级队列，执行一次没完成则降级
• 老化机制内置，适应性强，是实际常用的复杂调度策略

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六、调度算法比较

算法	平均等待时间	响应速度	公平性	实现复杂度
FCFS	一般偏高	差	差	简单
SJF	最低	差	差	中
RR	中等	好	好	中
优先级	不定（看策略）	不定	差	中
多级反馈	好	好	好	复杂

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七、重要调度指标

指标	含义
周转时间	完成时间 - 提交时间
带权周转时间	周转时间 / 服务时间
等待时间	就绪队列中等待CPU的总时间
响应时间	第一次响应所花时间（用于交互式系统）

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八、进程调度相关术语回顾

• 进程控制块（PCB）：记录进程状态、寄存器、优先级等调度所需信息
• 就绪队列：存放等待CPU的进程
• 上下文切换（Context Switch）：保存/恢复进程执行状态的开销操作

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九、面试常见问题及参考回答

为什么需要进程调度？

答： 因为系统资源有限，多个进程必须共享CPU等资源，调度器通过一定策略动态决定哪个进程运行，从而提升CPU利用率、响应时间和系统吞吐量。

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非抢占式调度的缺点？

答：

• 无法强制切换，可能导致响应慢
• 一个进程运行时间过长会拖慢其他进程
• 不适用于交互式、实时系统

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时间片轮转的优缺点？

答：

优点：

• 公平性强，每个进程都有机会
• 响应时间快，适合交互式系统

缺点：

• 时间片太大 → 类似FCFS，响应差
• 时间片太小 → 上下文切换频繁，浪费资源

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多级反馈队列如何解决饥饿问题？

答：

• 低优先级进程若等待过久，将被提升优先级（老化机制）
• 动态调整进程优先级，确保所有进程都能运行

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实际系统中常用哪些调度算法？

答：

• Windows：多级反馈队列 + 优先级提升/衰减机制
• Linux：O(1)调度器（老）、CFS（完全公平调度器）
• Unix：多级反馈 + 动态优先级
• Android：基于Linux CFS，并引入用户交互响应优化策略

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十、总结

• 进程调度是操作系统资源管理核心之一
• 关键任务：选择最合适的进程运行，满足性能和公平
• 多种算法适用于不同场景，没有“最优算法”
• 面试重点：理解调度策略原理 + 实际适用性 + 面试题举例