# 3.2 调度时机、切换与过程

## 一、调度时机

### 1.1 需要进行进程调度的时机

#### 当前进程终止
- 进程正常结束
- 进程异常终止
- 进程被撤销

#### 当前进程阻塞
- 进程请求I/O操作
- 进程请求资源失败
- 进程等待某事件
- 进程等待同步信号

#### 新进程创建
- 新进程创建后进入就绪队列
- 可能需要重新调度

#### 中断发生
- I/O中断完成
- 时钟中断（时间片用完）
- 其他中断

#### 时间片用完
- 抢占式调度中，进程时间片用完
- 需要调度新的进程

### 1.2 不能进行进程调度的时机

#### 处理中断时
- 中断处理需要快速完成
- 调度会延迟中断处理

#### 进程在临界区
- 进程在操作系统内核临界区
- 防止系统不稳定

#### 原子操作期间
- 需要屏蔽中断的原子操作
- 保证操作的原子性

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## 二、进程切换

### 2.1 进程切换的概念

**进程切换**：从当前运行进程切换到另一个进程运行的过程。

**进程切换 vs 调度**：
- 调度：选择哪个进程运行（决策）
- 切换：实际的进程切换操作（执行）

### 2.2 进程切换的过程

#### 保存当前进程的现场
1. **保存程序计数器（PC）**：记录当前执行位置
2. **保存状态寄存器（PSW）**：记录处理器状态
3. **保存通用寄存器**：保存数据
4. **保存其他寄存器**：如栈指针等
5. **更新PCB**：将现场信息保存到PCB

#### 选择新进程
1. **运行调度算法**：从就绪队列选择新进程
2. **更新就绪队列**：将当前进程插入就绪队列（如果被抢占）

#### 恢复新进程的现场
1. **从PCB读取现场**：获取新进程的寄存器值
2. **恢复通用寄存器**
3. **恢复状态寄存器**
4. **恢复程序计数器**
5. **设置地址空间**：切换页表/段表

#### 执行新进程
- 跳转到新进程的程序计数器位置
- 开始执行新进程

### 2.3 进程切换的开销

#### 直接开销
- 保存和恢复寄存器
- 更新各种表格
- 切换地址空间

#### 间接开销
- **高速缓存（Cache）失效**：新进程的Cache内容不同
- **快表（TLB）失效**：需要重新转换地址
- **流水线清空**：CPU流水线需要重新填充

**上下文切换时间**：通常在几微秒到几十微秒

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## 三、调度过程

### 3.1 非抢占式调度的过程

```
当前进程运行
    ↓
当前进程完成或阻塞
    ↓
保存当前进程现场
    ↓
调用调度程序
    ↓
选择新进程
    ↓
恢复新进程现场
    ↓
新进程运行
```

### 3.2 抢占式调度的过程

```
当前进程运行
    ↓
时间片用完/高优先级进程到达
    ↓
保存当前进程现场
    ↓
当前进程插入就绪队列
    ↓
调用调度程序
    ↓
选择新进程
    ↓
恢复新进程现场
    ↓
新进程运行
```

### 3.3 调度程序的执行

**调度程序（Scheduler）**：
- 选择下一个执行的进程
- 更新进程状态
- 维护就绪队列

**调度程序的实现**：
- 可以是独立的进程
- 可以是内核的一部分
- 通常在核心态执行

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## 四、调度过程中的关键问题

### 4.1 上下文保存

**需要保存的内容**：
- 通用寄存器
- 程序计数器
- 状态寄存器
- 栈指针
- 地址空间信息（页表指针）

**保存位置**：
- PCB（进程控制块）
- 内核栈

### 4.2 模式切换

**用户态 → 核心态**：
- 系统调用
- 中断
- 异常

**核心态 → 用户态**：
- 系统调用返回
- 中断返回
- 进程切换后执行新进程

### 4.3 地址空间切换

**页表切换**：
- 切换页表基址寄存器
- 刷新TLB

**段表切换**：
- 切换段表基址寄存器

**开销**：
- 切换地址空间是昂贵的操作
- 会导致Cache和TLB失效

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## 五、调度相关的系统调用

### 5.1 放弃CPU

**系统调用**：`yield()`

**功能**：
- 当前进程主动放弃CPU
- 进入就绪队列
- 触发调度

### 5.2 设置优先级

**系统调用**：`nice()` 或 `setpriority()`

**功能**：
- 设置进程优先级
- 影响调度顺序

### 5.3 获取调度信息

**系统调用**：`getpriority()`

**功能**：
- 获取进程优先级
- 获取调度策略

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## 六、考研重点

1. **调度时机**：什么时候需要调度，什么时候不能调度
2. **进程切换的过程**：保存现场、选择新进程、恢复现场
3. **进程切换的开销**：直接开销和间接开销
4. **上下文保存的内容**：寄存器、PC、PSW等
5. **模式切换**：用户态和核心态的切换
6. **地址空间切换**：页表切换的开销

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*下一节：3.3 调度算法*