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操作系统｜处理机调度三层体系 + 七状态模型

前面我们讲透了进程的五状态转换、线程的实现与模型。但系统里同时存在几十上百个进程，CPU 算力有限，该先让谁运行、该把谁暂时搁置，就需要「处理机调度」来统一管理。

调度不是只有 “选进程跑 CPU” 这一步，而是分为高级、中级、低级三层完整体系，对应进程从硬盘到内存、再到 CPU 的全流程。

一、处理机调度基本概念

定义：操作系统按照特定算法，从候选的进程 / 作业中选择一个，将 CPU 处理机资源分配给它，核心目标是兼顾公平性、系统效率与资源利用率。

类比： 把整个计算机系统比作一家公司：

• 外存（硬盘）= 外部简历人才池，人还没入职
• 内存 = 公司办公区，有正式工位，员工在公司待命
• CPU = 核心项目组，只有进入项目组才能真正干活执行

调度的本质，就是决定 “哪些人能入职、哪些人先居家待命、哪些人能进核心项目干活” 的整套规则。

二、调度的三个层次：从入职到分配项目

1. 高级调度（作业调度 ）

定义

也叫作业调度，从外存的后备作业队列中挑选合适的作业，将其调入内存，并为其创建进程、分配初始资源。

1.调度对象：作业（外存中待运行的程序）

2.流向：外存 → 内存

3.核心作用：决定哪些作业有资格进入系统运行

类比

公司 HR 从外部简历池（外存）里筛选候选人，发 offer、办理入职手续，给员工分配工位（内存），让他成为公司正式员工（创建进程）。

核心特点

1. 发生频率最低，几分钟、几小时甚至更久才执行一次；
2. 一个作业只会被调入一次、调出一次，是程序进入系统的第一道门槛；
3. 批处理系统中作用最突出，现代交互式系统（Windows、Linux 桌面）通常没有严格的高级调度。

真实例子

早期批处理系统中，用户提交的计算任务先全部存在磁带 / 硬盘里，操作员启动作业调度，选中的任务才会加载进内存运行。

2. 中级调度（内存调度 ）

定义

也叫内存调度，为了缓解内存不足的压力、提升资源利用率，把内存中暂时不运行的进程调到外存 “挂起”；等内存有空余、进程具备运行条件时，再调回内存。

1.调度对象：进程

2.流向：外存 ↔ 内存（双向）

3.核心作用：在内存和外存之间做进程换入换出，也就是内存 “对换” 技术

类比

公司业务淡季、工位不够时，把暂时没项目的员工安排居家待命（挂起到外存），收回工位给更紧急的项目；等业务回暖、有空位了，再把员工召回公司上班（调回内存）。

核心特点

1. 发生频率中等，根据内存占用情况动态执行；
2. 可以多次换入换出，同一个进程可以被反复挂起、激活；
3. 是虚拟内存、交换分区技术的底层逻辑之一。

真实例子

Windows 的虚拟内存、Linux 的 swap 交换分区，当物理内存不足时，系统会把长时间不活跃的进程数据换到硬盘上，腾出内存给前台程序，背后就是中级调度的思想。

3. 低级调度（进程调度 ）

定义

也叫进程调度，从内存的就绪队列中挑选一个进程，将 CPU 资源分配给它，让它进入运行态执行指令。

1.调度对象：内存中的就绪进程

2.流向：内存 → CPU

3.核心作用：决定哪个进程能真正占用 CPU 执行，是操作系统最核心、最基础的调度

类比

部门主管从公司办公区待命的员工（就绪队列）里，挑选合适的人，分配到当前核心项目（CPU）上干活。

核心特点

1. 发生频率最高，几毫秒就会执行一次，是操作系统最频繁的调度；
2. 是所有多道程序系统的必备功能；
3. 我们常说的时间片轮转、优先级调度、短作业优先等算法，都属于低级调度的具体算法。

真实例子

我们平时用电脑时，一边刷网页一边听歌一边挂微信，系统每隔几毫秒就切换一次进程，让多个程序 “同时运行”，这个切换决策就是低级调度完成的。

三、三层调度核心对比表

表格

四、进程七状态模型：挂起态的引入

1. 为什么要新增挂起态？

我们之前学的进程五状态模型（创建、就绪、运行、阻塞、终止），默认所有进程都在内存里。但实际系统中内存空间有限，进程太多会导致内存不足、系统卡顿。

引入中级调度后，进程可以被调到外存暂时存放，这种 “进程在外存、暂时不参与调度” 的状态，就叫挂起态。根据挂起前的状态，又细分为「就绪挂起」和「阻塞挂起」，五状态模型就扩展成了七状态模型。

2. 挂起态的两种细分

1. 就绪挂起：进程在外存，只要调回内存就能立刻进入就绪态、等待 CPU
   • 类比：员工居家待命，随时能干活，只要召回公司就能上岗
2. 阻塞挂起：进程在外存，同时还在等待某个事件，就算调回内存也还是阻塞态
   • 类比：员工在家一边待命一边等审批文件，就算回公司也得继续等文件

3.阻塞态与挂起态的区别

很多同学容易混淆这两个状态，核心区别只有一条：进程映像还在不在内存里。

1. 阻塞态：进程还在内存中，只是在等待 I/O、信号等事件；事件一到，立刻就能变回就绪态，参与 CPU 调度。
   • 类比：员工在公司工位上坐着，只是在等快递 / 审批，东西一到就能马上干活。
2. 挂起态：进程已经被调出内存，数据放到外存里了；必须先经过 “激活” 调回内存，才能参与后续调度。
   • 类比：员工已经回家了，公司连工位都收回了，必须先召回公司、分配工位，才能安排工作。

4. 七状态的核心转换逻辑

1. 就绪态 → 就绪挂起：内存不足时，把就绪队列里优先级低、长时间不运行的进程挂到外存，腾出内存空间
2. 阻塞态 → 阻塞挂起：内存不足时，本来就在阻塞等待的进程反正也跑不了，干脆挂到外存，优先腾内存给能运行的进程
3. 就绪挂起 → 就绪态（激活）：内存有空闲时，把就绪挂起的进程调回内存，重新加入就绪队列
4. 阻塞挂起 → 阻塞态（激活）：内存有空闲时，把阻塞挂起的进程调回内存，继续等待事件
5. 阻塞挂起 → 就绪挂起：进程等待的事件发生了，阻塞挂起就变成就绪挂起；等后续激活回内存后，直接就是就绪态
6. 运行态 → 就绪挂起：特殊场景下，正在运行的进程也可能被直接挂起，腾出内存给更紧急的进程
7. 创建态-->就绪挂起：创建进程之后，可能由于内存不足而进入就绪挂起状态

五、总结

1. 处理机调度分为三层：高级调度管 “作业能不能进内存”，中级调度管 “进程在内外存之间换入换出”，低级调度管 “哪个进程能上 CPU 运行”，频率从低到高。
2. 挂起态的本质是进程被调出内存、放到外存，分为就绪挂起和阻塞挂起；和阻塞态的核心区别是 “是否还在内存中”。
3. 七状态模型是五状态的扩展，完美匹配三层调度的完整流程，是内存资源紧张场景下的必然设计。