進程的調度

進程的調度是由操作系統完成的，其目的是為了在一個進程占用CPU執行自己的操作後，選擇下一個進程來占用CPU。調度發生的原因很簡單，每個進程都希望能夠占用CPU進行工作。因此，調度程式會進行上下文切換，並選擇一個進程來執行其功能。

那麼，什麼時候進行調度呢？調度的原則又是什麼呢？

什麼時候調度進程

進程的調度可以理解為在進程的狀態發生變化時進行。以下是一些進程狀態的示例：

• 就緒態 -> 運行態：當一個進程被創建後，它進入就緒隊列中等待執行。當操作系統從就緒隊列中選擇一個進程時，它進入運行態並開始執行。
• 運行態 -> 阻塞態：當一個進程執行I/O操作時，它可能會進入阻塞態，等待I/O操作完成。此時，操作系統會將當前進程放入阻塞隊列，並切換到其他可運行的進程繼續執行。
• 運行態 -> 結束態：當一個進程完成其任務或遇到終止指令時，它會進入結束態。操作系統會從就緒隊列中選擇下一個進程進行執行。

因為進程的狀態發生變化時，操作系統需要考慮是否切換進程來占用CPU執行業務。因此，只要進程狀態發生變化，就會觸發進程調度。

以什麼原則來調度進程

進程調度的原則主要有以下五種：

CPU利用率：調度程式應始終保持CPU處於繁忙狀態運行，以提高CPU的利用率。

系統吞吐率：系統吞吐率是指在一定時間內完成的進程數量。調度程式應儘量選擇能夠快速完成的進程，以提高系統的吞吐率。

周轉時間：指一個進程從創建到完成的總時間。調度程式應儘量減少進程的周轉時間，以提高系統的效率。也可以這麼理解：周轉時間的計算公式為：周轉時間 = 完成時間 - 創建時間；

等待時間：等待時間並不是所謂的阻塞時間，而是在就緒隊列中等待被執行的時間；

響應時間：指用戶發出請求後系統作出響應的時間。用戶與其交互這之間所產生的消耗時間越少，響應越好；

就是一句話，進程越快越短越好；

進程調度演算法

調度演算法基本分為兩類：非搶占式調度演算法、搶占式的調度演算法；

非搶占式調度演算法：這個演算法就是之前說的所有進程都進行排隊等待，只有前面的進程都執行完了或者自己主動讓出CPU，才可以輪到後面的進程執行。常見的非搶占式演算法有：先來先服務（FCFS，First-Come, First-Served）和短作業優先（SJF，Shortest Job First）等。

搶占式調度演算法：也就是時間片機制，每個進程都只占用CPU的一個時間片操作，執行完了就必須讓出CPU使用許可權給下一個進程使用。常見的搶占式演算法有：輪轉調度（Round Robin）、最短剩餘時間優先（SRTF，Shortest Remaining Time First）和優先順序調度等。

接下來我們詳細看下各個調度演算法的優劣：

先來先服務

這個是一種最簡單的進程調度演算法，所有進程按照到達時間的先後順序排隊，先到達的進程先被調度執行。這種調度演算法類似於Java中的隊列，採用先進先出（FIFO）的原則。

這種調度演算法存在一個明顯的問題，即如果一個進程執行時間較長，後面的進程就必須等待。

時間片輪轉調度

時間片輪轉調度是一種常見的進程調度演算法，它將CPU時間劃分為固定大小的時間片（也稱為時間量），每個進程在一個時間片內執行，如果時間片用完後仍未執行完，則被移至就緒隊列的末尾，等待下一輪調度。雖然解決了排隊產生的問題，但是時間片如何劃分呢？如果時間片過長，可能會導致資源浪費，因為某些進程可能只需要很短的時間就能執行完畢，但它們仍然會占用整個時間片。另一方面，如果時間片過短，會導致進程切換的頻率增加，增加了上下文切換的開銷，可能降低系統的性能。因此時間片的長度，需要有大致合理的數值。（《現代操作系統》的觀點是建議時間片長度在20ms~50ms）。

最短作業優先

最短作業優先調度演算法是一種非搶占式的調度演算法，它根據進程的執行時間長短進行排隊，將作業時間短的進程排在前面先執行。

我都不知道進程的執行時間長短的，系統咋知道的？其實系統通過預估進程的執行時間來進行調度，一般可以使用過去的歷史執行時間進行估算。但是預估的準不准呢，那肯定不准，所以問題來了，預估的準確性是一個問題。如果預估不准確，可能會導致進程的等待時間增加或者執行時間不均衡。如果短時間的進程一直在排在前面執行，那麼長時間的進程可能會一直等待執行的機會。

最短剩餘時間優先

他是搶占式的調度演算法，可以利用CPU的時間片機制，是基於最短作業優先演算法的改進版本。該演算法會根據進程的剩餘執行時間進行排隊，將剩餘執行時間最短的進程優先執行。但是這個時間也是預估的而且每個進程的剩餘執行時間需要進行實時監控和計算。

如果沒有時間片的限制，SRTF演算法會變成最短作業優先演算法，因為每個進程都能從頭到尾一次性執行完畢。

優先順序調度

它根據進程的優先順序來確定執行順序。每個進程都有一個優先順序值，通常在創建進程時由操作系統分配。如果多個進程的優先順序相同，則按照先來先服務（FIFO）的方式依次執行。進程的優先順序一般都已經由操作系統在創建的時候都已經設定好了的，如果硬要設置的話，可以去任務管理器看看；

優先順序調度可以細分為搶占式和非搶占式；這個就不用說了，我單獨說下搶占式，在搶占式優先順序調度中，如果有高優先順序的進程到達，當前正在執行的進程會被中斷，讓高優先順序的進程先執行。

所以說他仍然有點問題，那就是低優先順序的進程需要排很長時間的隊才可以執行；

多級反饋隊列調度

多級反饋隊列調度是一種綜合了優先順序調度和時間片輪轉調度的進程調度演算法。它通過多個就緒隊列按照優先順序和時間片的不同來排列進程，以實現更加靈活和高效的調度，但是他並不是按照優先順序依次進入就緒隊列的，而是都在第一級隊列開始執行，執行完就放入第二級隊列，依次往下排而已，這個優先順序只是單獨對於就緒隊列來講的並不是進程的優先順序；

他就兼顧了長短作業的場景，因為短作業很可能在前面的就緒隊列中已經執行完了，而後面的長作業占用的CPU時間片也更長了。

這個演算法類比銀行辦手續的場景：

• 銀行大廳中本身三個排隊隊列，隊列1優先順序最高但是辦理的時間卻是最短的，這也對應著優先順序越高時間片越短；
• 新來的客戶都先進入隊列1叫號排隊，但是只辦理1分鐘的業務，辦理不完的客戶都去隊列2依次排隊，當隊列1中的客戶全辦理完之後，工作人員開始處理隊列2中的客戶，然後依次排隊，直至隊列中的進程都處理完畢為止；
• 但是如果在辦理其他隊列的過程中又有新客戶來了，則會終止當前客戶的辦理並重新進入對尾排隊，工作人員會立馬處理隊列1中的客戶。

可以發現，對於要辦理短業務的客戶來說，可以很快的輪到並解決。對於要辦理長業務的客戶，一下子解決不了，就可以放到下一個隊列，雖然等待的時間稍微變長了，但是輪到自己的辦理時間也變長了，

多級反饋隊列調度演算法兼顧了優先順序和時間片的特點，能夠適應不同類型的進程和任務。通過合理設置每個隊列的優先順序和時間片長度，可以根據實際情況提高系統的執行效率和響應速度。

總結

進程調度是操作系統中重要的任務之一。調度程式根據進程的狀態變化，選擇下一個進程來占用CPU執行任務。調度的原則包括CPU利用率、系統吞吐率、周轉時間、等待時間和響應時間等。調度演算法分為非搶占式和搶占式兩種類型，其中常見的演算法包括先來先服務、時間片輪轉、最短作業優先、最短剩餘時間優先、優先順序調度和多級反饋隊列調度。每種演算法都有其優點和缺點，