一、调度的基本概念
操作系统中的调度是计算机系统中非常重要的一个环节，它决定了系统资源的分配方式，直接影响到系统的性能和效率。调度的基本概念包括以下几个方面：
调度的定义
调度是指操作系统根据某种算法，从多个就绪态的进程中选择一个或多个进程，分配给CPU执行的过程。调度的目标是提高CPU的利用率，减少进程的等待时间，从而提高系统的整体性能。
进程的三状态模型
进程的三状态模型包括就绪态、执行态和阻塞态。
- 就绪态：进程已经准备好执行，但尚未分配到CPU。
- 执行态：进程正在CPU上运行。
- 阻塞态：进程因等待某种事件（如I/O操作完成）而暂停执行。
就绪态 -> 执行态 -> 阻塞态
调度的三个层次
调度可以分为高级调度、中级调度和低级调度三个层次，分别对应不同的调度场景和目标。
二、高级调度详解
高级调度（Job Scheduling）又称为作业调度或长程调度，主要负责从外存的后备队列中选择作业，调入内存并创建进程。
1. 高级调度的定义与作用
高级调度的主要任务是决定将外存上处于后备队列中的哪些作业调入内存，并为它们分配必要的资源，创建进程，将新创建的进程排入就绪队列，等待CPU调度执行。
2. 高级调度的适用场景
高级调度主要应用于批处理系统中。批处理系统的特点是作业不会直接提交到内存，而是先提交到外存的后备队列中。高级调度从后备队列中选择作业，调入内存并分配资源。
3. 高级调度的目标
对于用户来说，希望作业的周转时间尽可能少。周转时间是指从作业进入系统到运行完成为止的时间总量，包括以下几个部分：
- 外存后备队列的等待时间
- 就绪队列的等待时间
- CPU上的运行时间
- 阻塞队列的等待时间
对于操作系统来说，希望作业的平均周转时间尽可能少。平均周转时间的计算公式为：
`plaintext
平均周转时间 = 总周转时间 / 作业的总个数
`
减少平均周转时间可以提高系统的吞吐量（Throughput），从而提高CPU的利用率。
三、中级调度与低级调度
1. 中级调度
中级调度（Middle-Level Scheduling）又称为内存调度或交换调度，主要负责将暂时不需要运行的进程从内存交换到外存（如磁盘），从而释放内存空间。中级调度的引入可以提高内存的利用率，减少多道程序环境下的内存占用。
2. 低级调度
低级调度（Process Scheduling）又称为CPU调度或短程调度，主要负责从就绪队列中选择一个进程，分配给CPU执行。低级调度的算法直接影响到CPU的利用率和进程的响应时间。
四、调度算法的选择
调度算法的选择直接影响到系统的性能和效率。常见的调度算法包括：
先来先服务（FCFS）
按照作业进入系统的顺序进行调度，简单但可能导致长作业阻塞短作业。
def fcfs_scheduling(processes):
processes.sort(key=lambda x: x['arrival_time'])
return processes
短作业优先（SJF）
优先调度执行时间最短的作业，可以减少平均周转时间。
def sjf_scheduling(processes):
processes.sort(key=lambda x: x['burst_time'])
return processes
时间片轮转（RR）
每个进程分配固定的时间片，时间片结束后进程回到就绪队列的末尾。
def rr_scheduling(processes, time_slice):
queue = processes.copy()
while queue:
process = queue.pop(0)
if process['burst_time'] > time_slice:
process['burst_time'] -= time_slice
queue.append(process)
else:
process['burst_time'] = 0
优先级调度
根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程优先执行。
五、高级调度与系统类型的关系
不同的操作系统类型对高级调度的需求不同：
系统类型 是否需要高级调度 原因
批处理系统 需要 作业先提交到外存的后备队列，需要高级调度调入内存。
分时系统 不需要 作业直接提交到内存，不需要从外存调度。
实时系统 不需要 实时系统对响应时间要求极高，通常直接分配资源，不需要高级调度。
六、常见问题与解答（FAQ）
问题 答案
什么是高级调度？ 高级调度又称为作业调度或长程调度，负责从外存的后备队列中选择作业，调入内存并分配资源。
高级调度的目标是什么？ 高级调度的目标是减少作业的周转时间，提高系统的吞吐量和CPU利用率。
为什么分时系统不需要高级调度？ 分时系统中作业直接提交到内存，不需要从外存调度。
常见的调度算法有哪些？ 常见的调度算法包括先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、时间片轮转（RR）和优先级调度。
如何选择合适的调度算法？ 根据系统的需求和目标选择调度算法，如减少平均周转时间或提高响应速度。
七、高级调度的流程图
用户提交作业 -> 作业进入外存后备队列 -> 高级调度选择作业 -> 调入内存 -> 分配资源 -> 创建进程 -> 进入就绪队列 -> 低级调度分配CPU
本文通过详细讲解调度的基本概念、高级调度的原理与应用，以及常见的调度算法，帮助读者深入理解操作系统中调度的核心知识点。