作業系統 - 程序排程

定義

程序排程是程序管理器的一項活動，它負責根據特定策略從 CPU 中移除正在執行的程序並選擇另一個程序。

程序排程是多道程式設計作業系統的必要組成部分。此類作業系統允許同時將多個程序載入到可執行記憶體中，並且載入的程序使用時間複用共享 CPU。

排程分為兩類：

非搶佔式：在此，資源在程序完成執行之前無法被搶佔。資源的切換髮生在正在執行的程序終止並進入等待狀態時。
搶佔式：在此，作業系統為程序分配固定時間量的資源。在資源分配期間，程序從執行狀態切換到就緒狀態或從等待狀態切換到就緒狀態。這種切換髮生是因為 CPU 可能會優先考慮其他程序，並用優先順序更高的程序替換正在執行的程序。

作業系統在程序排程佇列中維護所有程序控制塊 (PCB)。作業系統為每種程序狀態維護一個單獨的佇列，並且處於相同執行狀態的所有程序的 PCB 都放置在同一佇列中。當程序的狀態發生變化時，其 PCB 將從其當前佇列中解鏈並移動到其新的狀態佇列。

作業系統維護以下重要的程序排程佇列：

作業系統可以使用不同的策略來管理每個佇列（FIFO、輪循、優先順序等）。作業系統排程程式決定如何將程序在就緒佇列和執行佇列之間移動，執行佇列在系統上每個處理器核心只能有一個條目；在上圖中，它已與 CPU 合併。

兩狀態程序模型指的是執行和非執行狀態，如下所述：

序號	狀態和描述
1	執行當建立新程序時，它以執行狀態進入系統。
2	未執行未執行的程序儲存在佇列中，等待其執行機會。佇列中的每個條目都是指向特定程序的指標。佇列使用連結列表實現。排程程式的使用方式如下。當程序被中斷時，該程序被轉移到等待佇列。如果程序已完成或中止，則丟棄該程序。在這兩種情況下，排程程式都會從佇列中選擇一個程序來執行。

序號

狀態和描述

執行

當建立新程序時，它以執行狀態進入系統。

未執行

未執行的程序儲存在佇列中，等待其執行機會。佇列中的每個條目都是指向特定程序的指標。佇列使用連結列表實現。排程程式的使用方式如下。當程序被中斷時，該程序被轉移到等待佇列。如果程序已完成或中止，則丟棄該程序。在這兩種情況下，排程程式都會從佇列中選擇一個程序來執行。

排程程式是特殊的系統軟體，以各種方式處理程序排程。它們的主要任務是選擇要提交到系統的作業並決定執行哪個程序。排程程式有三種類型：

它也稱為作業排程程式。長期排程程式確定哪些程式被系統接受以進行處理。它從佇列中選擇程序並將它們載入到記憶體中以執行。程序載入到記憶體中以進行 CPU 排程。

作業排程程式的主要目標是提供均衡的作業組合，例如 I/O 繫結和處理器繫結。它還控制多道程式設計的程度。如果多道程式設計的程度是穩定的，則程序建立的平均速率必須等於離開系統的程序的平均離開速率。

在某些系統上，長期排程程式可能不可用或最少。分時作業系統沒有長期排程程式。當程序將狀態從新建更改為就緒時，則使用長期排程程式。

它也稱為CPU 排程程式。其主要目標是根據所選的一組標準提高系統性能。它是程序從就緒狀態更改為執行狀態。CPU 排程程式從已準備好執行的程序中選擇一個程序，並將其分配給其中一個。

短期排程程式，也稱為排程程式，決定下一個要執行哪個程序。短期排程程式比長期排程程式快。

中期排程是交換的一部分。它將程序從記憶體中移除。它降低了多道程式設計的程度。中期排程程式負責處理交換出的程序。

如果正在執行的程序發出 I/O 請求，則它可能會變為掛起狀態。掛起的程序無法朝著完成方向取得任何進展。在這種情況下，為了從記憶體中移除程序併為其他程序騰出空間，將掛起的程序移動到輔助儲存器。此過程稱為交換，並且該程序被稱為交換出或推出。交換可能是為了改善程序組合而必需的。

序號	長期排程程式	短期排程程式	中期排程程式
1	它是作業排程程式	它是 CPU 排程程式	它是程序交換排程程式。
2	速度低於短期排程程式	速度是其他兩個中最快的	速度介於短期和長期排程程式之間。
3	它控制多道程式設計的程度	它對多道程式設計的程度控制較少	它降低了多道程式設計的程度。
4	在分時系統中幾乎不存在或最少	在分時系統中也最少	它是分時系統的一部分。
5	它從池中選擇程序並將它們載入到記憶體中以執行	它選擇已準備好執行的程序	它可以將程序重新引入記憶體，並可以繼續執行。

上下文切換是一種機制，用於在程序控制塊中儲存和恢復 CPU 的狀態或上下文，以便稍後可以從同一點恢復程序執行。使用此技術，上下文切換器使多個程序能夠共享單個 CPU。上下文切換是多工作業系統功能的重要組成部分。

當排程程式將 CPU 從執行一個程序切換到執行另一個程序時，當前正在執行的程序的狀態將儲存到程序控制塊中。在此之後，下一個要執行的程序的狀態將從其自己的 PCB 中載入，並用於設定 PC、暫存器等。此時，第二個程序可以開始執行。

上下文切換在計算上非常密集，因為必須儲存和恢復暫存器和記憶體狀態。為了避免上下文切換時間，一些硬體系統使用兩組或多組處理器暫存器。當程序切換時，以下資訊將被儲存以供以後使用。

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