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LINUX原理及应用 武汉大学计算机学院 李文海 lwhaymail@21 第四章 调度 设计操作系统的主要目标是充分利用硬件资源使其发挥最大的效能。处理机（CPU）资源，又是其中最重要的一项，让它尽可能处于工作状态，是操作系统管理功能的关键。调度针对的主要是处理机资源的分配问题，因而处理机管理的核心是调度。 处理机调度的主要指标有： 周转时间是指一项任务由提交到得到结果所经过的时间。 吞吐量是系统在单位时间内完成任务的数量。 响应时间用户命令由发出到得到结果所需要的时间。 设备利用率指外部设备的使用情况。 调度 所有进程部分时间运行于用户模式，部分时间运行于系统模式。如何支持这些模式，底层硬件的实现各不相同，但是存在一种安全机制可以使它们在用户模式和系统模式之间来回切换。用户模式的权限比系统模式下的小得多。 进程通过系统调用切换到系统模式继续执行。此时核心为进程而执行。在Linux中，进程不能被抢占。只要能够运行它们就不能被停止。当进程必须等待某个系统事件时，它才决定释放出CPU。 4.1调度的层次 操作系统处理机调度也是分层次的，一般称为分级调度，按照调度发生频率依次是：作业调度、交换调度、进程调度和线程调度。 作业调度，也称为高级调度或宏观调度，是针对用户提交的作业，在已经输入的作业中，按照某种策略，选取合适的作业投入运行。 交换调度，又称中级调度。针对系统中已经开始运行的进程，把内存中暂时不会执行的内容交换到外存的特定区域中，而把外存中处于就绪状态的进程交换到内存中，准备投入运行。 进程调度，也称为低级调度或微观调度，控制进程从就绪到执行状态转变。 线程调度，系统内核针对线程的调度情况，选中就绪线程并占有处理机，转入执行状态。 4.1调度的层次 4.1调度的层次 Linux系统基本无作业调度，作业一旦输入即直接进入内存； Linux的交换调度负责将内存中的页面换出或从外存换入页面； Linux的内核级线程和进程在表示、管理调度等方面类似。采用进程调度统一管理进程和内核级线程。 4.2 Linux交换调度 Linux系统的内存管理主要采用请求页式存储管理。 当新进程创建时，只装入极少的几个页面，随着程序的运行，按需要调入缺页。当空闲页面少于一定数目时，系统根据近似LRU算法换出很长时间未被访问的页面。 Linux系统采用记龄(aging)置换算法，每个页面具有自己的年龄，年龄大小与访问的次数有关。 4.2.1 交换空间 现代操作系统中普遍采用基于虚拟存储器的概念来统一管理内存和部分外存。这里说的部分外存是指具有特殊格式的部分外存，一般称为交换空间。同时，对于一个进程而言，也不是整个进程同时在内存和外存之间交换，只是部分页面的交换。 从内存中换出的页面保存在外存的交换空间中，Linux系统提供两种不同类型的外存保存方式： 利用整个块设备，比如磁盘的一个分区，这样的分区具有特殊的格式，通常称为交换区或交换设备。 利用文件系统中的特殊文件，这种文件具有固定长度，称为交换文件。 4.2.1 交换空间 Linux系统可以同时管理多个交换空间，最大个数由参数MAX_SWAPFILES指定(默认值是8)，在文件include/linux/swap.h中定义。交换空间按照优先级排序，当需要分配一个交换页面时，Linux首先使用仍然拥有空间、拥有最高优先级的交换空间，交换区和交换文件都可以用来存储内存中换出的页，达到扩充内存的目的。 4.2.1 交换空间 实际使用中，交换区的效率远高于交换文件。交换区可以是硬盘的一个分区，在磁盘分区时建立，独立于系统的文件系统，具有特殊的格式，属于同一个页面的数据块在交换区中连续存放，数据之间有固定的关系。使用交换区的交换存储过程中，系统直接针对磁盘进行。 交换文件是文件系统中的特殊文件，在文件系统建立之后创建，属于同一个页面上的数据在逻辑上是连续的，但在存放的过程中物理上可能分成多个数据块，是零散的。交换过程中存取要经过文件系统，分别访问不同的数据块，需要更多的硬盘访问时间，整体的效率比较低。但是交换文件可以在系统安装完毕后，不改变磁盘分区的情况下设置和取消，使用起来比较灵活。 4.2.1 交换空间 在实际使用中，通常以交换区为主，以交换文件为辅。首先设置能够满足日常工作需要的交换区，当需要更多交换空间时，临时增加几个交换文件，不再需要时可以方便地撤消交换文件。 4.2.2 进程的内存组织 进程中与地址空间有关的信息记录在task的mm_struct结构中。 进程虚拟存储空间管理的基本单位是虚拟存储段，每个虚拟存储段用一个vm_area_struct 结构来描述。 进程的虚拟内存实际是由一组指向vm_area_struct 结构的指针链表来实现的，链表的头结点记录在该进程的mm_s