一、前言
处理器调度 是操作系统内核的核心功能 ，其本质是按一定规则分配 CPU 时间片，让多个进程 / 线程（内核统一视为task）高效、公平地共享 CPU 资源，实现宏观上的并发执行。
调度目标：提高 CPU 利用率、缩短任务响应时间、保证系统公平性、避免进程饥饿。
根据调度的层次和时机 ，处理器调度分为三级调度 ；根据调度对象的状态 ，又分为进程调度和线程调度，下面分模块详解。
二、 三级调度（按调度层次划分）
操作系统的调度分为三个层次，分别对应任务从 "进入系统" 到 "执行完毕" 的不同阶段。
2.1. 作业调度（高级调度）
- 调度对象：作业（用户提交的完整任务，如一个程序的运行请求）。
- 核心作用：从外存的作业后备队列中选择符合条件的作业，调入内存并创建对应的进程，使其参与 CPU 竞争。
- 触发时机：系统空闲时、有新作业提交时（调度频率低，分钟 / 小时级）。
- 适用场景：批处理系统（如大型机的任务调度），分时 / 实时系统一般不设计作业调度。
- 调度算法：先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、优先级调度。
2.2. 内存调度（中级调度）
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调度对象：内存中的进程。
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核心作用：解决内存资源不足的问题 ------ 将暂时不运行的进程（如阻塞态进程）换出到外存（挂起队列），待需要时再换入内存，重新加入就绪队列。
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触发时机：内存空间紧张时（调度频率中等，秒级）。
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核心目标：提高内存利用率和系统吞吐量。
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关键概念：
挂起态 ：进程数据被换出到外存，不参与 CPU 调度，分为阻塞挂起（原阻塞态）和就绪挂起（原就绪态）。
换入 / 换出：外存与内存之间的进程数据迁移。
2.3. 进程 / 线程调度（低级调度）
- 调度对象：内存中的进程 / 线程（内核task）。
- 核心作用：从就绪队列中选择一个任务，分配 CPU 时间片，使其从就绪态转为运行态。
- 触发时机：任务完成、时间片耗尽、任务阻塞、有高优先级任务进入就绪队列（调度频率高，毫秒级）。
- 调度算法：操作系统的核心算法，直接决定系统性能，下文重点讲解。
三、 核心：进程 / 线程调度算法
调度算法是处理器调度的灵魂，不同算法适用于不同的系统场景（批处理、分时、实时）。
| 调度算法 | 核心思想 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 先来先服务（FCFS） | 按任务到达就绪队列的顺序调度，先到先执行 | 公平、实现简单 | 短任务可能被长任务阻塞（convoy effect 护航效应） | 批处理系统、作业调度 |
| 短作业优先（SJF） | 优先选择估计执行时间最短的任务 | 平均等待时间最短 | 长任务可能饥饿、需要预估执行时间 | 批处理系统、作业调度 |
| 最短剩余时间优先（SRTF） | SJF 的抢占式版本：新任务执行时间更短时，抢占 CPU | 比 SJF 更优，平均等待时间更短 | 抢占开销大、需要预估时间 | 批处理系统 |
| 时间片轮转（RR） | 就绪队列任务轮流占用 CPU，每个任务分配固定时间片（如 10ms），时间片到则切换 | 响应时间短、公平，适合交互 | 时间片过短→切换开销大；过长→退化为 FCFS | 分时系统（如 Linux 桌面、Windows） |
| 优先级调度 | 按任务优先级高低调度，优先级高的先执行 | 支持紧急任务优先处理 | 低优先级任务可能饥饿 | 实时系统、进程调度 |
| 多级反馈队列（MLFQ） | 多个就绪队列，不同队列时间片不同；任务按表现动态调整队列（优先级） | 兼顾公平和高效，平衡短任务和长任务 | 实现复杂 | 通用操作系统（如 Linux、Windows） |
| 最高响应比优先（HRRN） | 优先选择响应比 (等待时间+预估执行时间)/预估执行时间) 最大的任务，响应比随等待时间动态提升 |
避免长任务饥饿，平衡短任务响应速度与长任务公平性 | 依赖执行时间预估，每次调度需计算响应比，有额外开销 | 批处理系统（希望避免饥饿的场景） |
关键补充：抢占式 vs 非抢占式调度
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非抢占式：任务一旦获得 CPU，会一直执行到完成或主动阻塞（如 I/O 等待），才释放 CPU。
典型算法：FCFS、非抢占式 SJF。
优点：切换开销小；缺点：紧急任务无法及时响应。
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抢占式：操作系统可以强制剥夺正在运行任务的 CPU，分配给更紧急的任务。
典型算法：RR、SRTF、优先级调度。
优点：响应快、支持实时任务；缺点：切换开销大。
四、 线程调度 vs 进程调度
在支持线程的操作系统中（如 Linux），调度的最小单位是线程，而非进程，两者的核心区别如下：
| 维度 | 进程调度 | 线程调度 |
|---|---|---|
| 调度单位 | 进程（独立mm_struct，资源隔离） | 线程（共享进程mm_struct，资源共享） |
| 切换开销 | 大（需切换页表、地址空间等） | 小（仅切换寄存器、程序计数器、栈指针） |
| 资源分配 | 进程是资源分配的最小单位 | 线程是 CPU 调度的最小单位 |
| 核心目标 | 资源隔离与分配 | 高效利用 CPU，实现并发 |
五、 调度的性能评价指标
衡量调度算法好坏的核心指标：
- CPU 利用率：CPU 处于忙状态的时间占比，越高越好（理想 100%）。
- 吞吐量：单位时间内完成的任务数，越高越好。
- 周转时间：任务从提交到完成的总时间，越短越好。
- 平均周转时间 = 总周转时间 / 任务数。
- 等待时间：任务在就绪队列的等待时间总和，越短越好。
- 响应时间：任务从提交到首次获得 CPU 的时间，越短越好（交互系统关键指标）。