抢占式与非抢占式调度详解

1. 什么是调度（Scheduling）

操作系统中的调度器（Scheduler）负责决定在任意时刻哪个进程将使用 CPU 资源。调度器主要在以下四种情况下进行决策：

1. 当一个进程从运行状态切换到等待状态（例如发起 I/O 请求）
2. 当一个进程终止或执行完成
3. 当一个进程因中断等原因从运行状态切换到就绪状态
4. 当一个进程完成 I/O 操作或获得所需资源，从等待状态回到就绪状态

前两种情况相对简单：调度器只需从就绪队列中选择下一个进程即可。非抢占式调度只允许在这两种情况下进行切换；而抢占式调度则允许在第3和第4种情况下也进行调度决策，这就带来了更大的灵活性。

2. 非抢占式调度（Non-Preemptive Scheduling）

非抢占式调度是一种进程一旦开始执行，就会一直运行到结束或进入等待状态的调度策略。 在此期间，该进程不会被中断。

常见的非抢占式调度算法包括：

• 先来先服务（First-Come-First-Serve, FCFS）：按照进程到达的顺序依次执行。
• 最短作业优先（Shortest-Job-First, SJF）：优先执行预计运行时间最短的进程。

所有非抢占式调度算法的工作流程大致如下：

新进程通常插入到队列尾部（如 FCFS），调度器根据算法选择一个进程执行。一旦开始执行，除非该进程主动释放 CPU（如进入 I/O 等待），否则不会被打断。

如果进程在运行过程中需要进行 I/O 操作或等待资源，则会进入等待状态。一旦 I/O 完成或资源可用，该进程将立即回到就绪队列头部，等待再次执行。

2.1 优点

✅ 实现简单：非抢占式调度逻辑清晰，易于实现。

✅ 调度开销小：没有频繁的上下文切换，调度效率高。

✅ 吞吐量较高：单位时间内完成的进程数量相对较多。

2.2 缺点

❌ 响应时间差：因为必须等待前面的进程执行完毕，平均响应时间较长。

❌ 缺乏灵活性：进程一旦运行，无法中断，即使有更高优先级的进程到达也无法及时响应。

❌ 难以支持优先级调度：比如一个低优先级但运行时间很长的进程正在执行，此时一个高优先级进程到达，只能等待，无法抢占。

❌ 容易导致死锁（Deadlock）：如果两个进程互相等待对方持有的资源，且无法抢占，就可能进入死锁状态。非抢占是死锁产生的必要条件之一。

3. 抢占式调度（Preemptive Scheduling）

抢占式调度允许调度器在进程运行一段时间后主动中断它，将其放回就绪队列，以便为其他进程提供执行机会。

常见抢占式调度算法包括：

• 轮转法（Round Robin）：每个进程分配一个固定的时间片，轮流执行。
• 最短剩余时间优先（Shortest-Remaining-Time-First, SRTF）：优先执行剩余时间最短的进程。
• 基于优先级的调度（Priority Scheduling）：优先级高的进程可中断当前运行的低优先级进程。

其一般流程如下：

当时间片用完或有更高优先级进程到达时，当前进程会被中断，返回就绪队列等待下一次调度。

如果进程需要执行 I/O 或等待资源，也会进入等待状态，完成后重新回到就绪队列。

3.1 优点

✅ 响应时间更优：高优先级或短任务可以更快获得 CPU。

✅ 避免 CPU 被独占：不会让一个进程长时间占用 CPU。

✅ 支持动态优先级调整：可以根据进程状态变化动态调整执行顺序。

✅ 避免死锁：允许中断进程，有助于打破死锁的必要条件。

3.2 缺点

❌ 上下文切换开销大：频繁中断和切换进程会增加系统开销。

❌ 可能导致进程饥饿（Starvation）：低优先级进程可能长时间得不到执行机会，尤其在高优先级进程持续到达时。

4. 抢占式 vs 非抢占式调度对比

特性	抢占式调度	非抢占式调度
是否允许中断	✅ 是	❌ 否
进程切换时机	运行 → 就绪 / 等待 → 就绪	仅运行 → 等待 / 结束
是否支持优先级	✅ 是	❌ 否
响应时间	更好	更差
吞吐量	相对较低	较高
CPU 利用率	高	低
是否可能导致饥饿	✅ 是	❌ 否
是否可能导致死锁	❌ 否	✅ 是
调度开销	高	低

5. 总结

本文详细介绍了抢占式调度和非抢占式调度两种调度策略的原理、特点和适用场景。

• 非抢占式调度简单高效，适用于对响应时间要求不高的场景，但灵活性差，难以支持优先级和避免死锁。
• 抢占式调度更灵活，响应时间更优，适合需要高响应性的系统，但带来了额外的上下文切换开销。

在实际操作系统设计中，往往根据需求选择合适的调度策略，或者结合两者优点设计混合调度机制。

⚠️ 踩坑提醒：在设计调度策略时，务必考虑系统对响应时间、公平性和资源利用率的综合需求，避免盲目选择单一调度方式导致性能瓶颈或资源饥饿问题。