OS 任务调度

news/2025/11/9 23:00:01/文章来源:https://www.cnblogs.com/bch24/p/19204406

1 什么是任务调度？操作系统为什么需要它？

任务调度是决定哪个任务在何时使用CPU的过程。因为CPU核心数量远少于需要运行的任务（进程/线程）数，需要通过调度来公平、高效地分配计算资源，实现多任务并发/并行的假象，并满足不同任务（如交互式、计算密集型）的需求。
调度通常在三种场景下发生：

进程从运行态变为等待态（如 I/O 等待）
进程主动放弃 CPU（如执行完毕）
定时中断发生（抢占式调度）

2 任务调度的层次与场景

高级调度（作业调度）：决定将外存（磁盘）上的哪个“作业”调入内存，准备执行。它控制着内存中并发进程的数量。
场景：大型机或批处理系统
中级调度（内存调度）：为了解决内存紧张问题，将暂时不运行的进程调出到外存（挂起），在适当的时候再调回内存。这实际上是“进程”在就绪/挂起状态之间的切换。
场景：现代通用操作系统
低级调度（进程/线程调度）：决定就绪队列中的哪个进程/线程获得CPU的使用权。这是最频繁、最精细的调度，由操作系统的 调度器 和分派器 完成。
场景：所有操作系统的核心，也是最常讨论的调度。

注：我们通常所说的“任务调度原理”主要指的就是低级调度。

3 常见的调度算法

先来先服务：按照任务到达就绪队列的顺序进行调度。
实现简单，公平。但平均等待时间可能很长，对短任务不友好（“护航效应”）。
最短作业优先：优先调度预计运行时间最短的任务。
可以最小化平均等待时间。但可能导致长任务永远得不到执行（饥饿）。需要预知任务的运行时间，这在实际中很难。
优先级调度：每个任务被赋予一个优先级，调度器总是选择优先级最高的任务运行。
- 静态优先级：优先级在任务创建时确定，不变。
- 动态优先级：优先级在运行时根据情况（如等待时间、已使用CPU时间）动态调整，可以防止低优先级任务饥饿。
时间片轮转调度：为每个任务分配一个固定的时间片。任务运行一个时间片后，被剥夺CPU并放回就绪队列的末尾。
非常公平，能保证所有任务都得到响应。时间片大小的选择是关键：
- 太大 → 退化为FCFS。
- 太小 → 上下文切换开销过大，系统效率低。
多级反馈队列调度：设立多个优先级队列，高优先级队列时间片小。新任务进入最高级队列。任务用完时间片未完成则降级；任务因I/O而放弃CPU则可能升级或留在原队列。调度时，先运行高优先级队列，空后才运行低一级队列。
优点：能同时兼顾多种类型任务——短任务能快速完成（响应快），I/O密集型任务能保持高优先级，长计算型任务虽然后台运行但也能得到服务。

总结一下：

调度算法	特点	优点	缺点
先来先服务（FCFS）	按到达顺序执行	简单	等待时间长，响应慢
最短作业优先（SJF）	优先执行执行时间最短的任务	平均等待时间最短	需预知执行时间，不公平
最短剩余时间优先（SRTF）	SJF 的抢占版	响应快	调度频繁，开销大
时间片轮转（RR）	每个任务分配固定时间片	公平、响应快	上下文切换频繁
优先级调度（Priority）	按优先级调度	灵活	可能饥饿（低优先级长期不执行）
多级反馈队列（MLFQ）	动态调整优先级与时间片	综合性好，常用	实现复杂

4 抢占式调度和非抢占式调度的区别

抢占式：操作系统可以强制中断当前运行的任务，将CPU分配给更重要的任务。例如，一个时间片用完后被中断。例子：现代通用操作系统（Windows, Linux, macOS）的调度。
非抢占式：任务一旦开始运行，就会一直占用CPU直到它主动放弃（如完成、等待I/O）。例子：一些早期的批处理系统或某些实时操作系统。