进程调度：CPU争夺的艺术——算法、时机与数据结构

进程调度是操作系统核心功能之一，它负责控制和协调多个进程对中央处理器（CPU）的使用。其主要任务是根据特定的调度策略，从就绪队列中选择一个进程，赋予其CPU使用权。进程调度在处理机调度中占据关键地位，因为处理机作为计算机系统中的宝贵资源，其有效利用直接影响系统性能。 处理机调度分为三个层次： 1. 高级调度（宏观调度）：也称为作业调度，主要针对长时间运行的大型任务，如批处理作业，决策时间尺度通常以分钟、小时或天为单位。其目的是合理安排系统的整体工作负载，平衡内存需求与处理机分配。 2. 中级调度（内存调度）：关注内存资源的管理，当进程需要更多内存时，可能会进行进程的内存交换，如进程换入（从外存到内存）、换出（从内存到外存）。这有助于确保内存空间的有效利用和避免内存冲突。 3. 低级调度（微观调度）：关注CPU的即时分配，针对短时间请求，如单个进程的执行。这种调度通常在毫秒级别进行，需高效处理以减少中断频率。非剥夺式和剥夺式是两种常见的低级调度策略。 进程调度的主要职能包括维护进程信息、制定处理机分配规则、执行进程上下文切换等。其时机主要包括进程结束、等待I/O、时间片用完、优先级更高的进程就绪以及进程间通信中的原语操作。 在数据结构方面，进程控制块（PCB）通常采用链接表形式，使得进程调度可以方便地通过队列进行操作。常用的进程调度算法有： - 先来先服务（FCFS）：按照进程到达顺序进行调度，简单但可能导致长进程占用过多时间。 - 轮转调度：定期轮换进程，提高响应时间和CPU利用率，如时间片轮转。 - 分级轮转法：结合进程优先级和时间片，平衡不同优先级进程的执行。 - 优先数法：根据进程的优先级进行调度，有利于关键任务快速响应。 确定调度算法的原则通常考虑公平性、资源利用率（尤其是CPU）、交互式系统的响应时间和批处理系统的吞吐量。进程调度是一项精细且复杂的任务，其优化对系统性能的提升至关重要。