操作系统中作业是什么作业提交与调度全流程解析从代码到运行的幕后推手

引言：操作系统的核心概念——作业

在计算机科学领域，操作系统（Operating System, OS）扮演着资源管理者的角色，而“作业”（Job）则是操作系统管理用户任务的基本单位。简单来说，作业是指用户在一次计算任务或事务处理中，要求计算机系统完成的全部工作。它从用户提交源代码或可执行程序开始，经过编译、链接、加载、执行，直到最终输出结果并结束的整个生命周期。

理解作业的概念对于深入掌握操作系统的工作原理至关重要。作业不仅仅是简单的程序执行，它涉及复杂的调度算法、资源分配策略以及进程管理机制。本文将详细解析作业的定义、提交过程、调度机制，以及从代码到运行的幕后推手，帮助读者全面理解这一核心概念。

一、作业的定义与分类

1.1 作业的基本定义

在操作系统中，作业（Job）是指用户要求计算机系统完成的一个计算任务。它通常包括用户程序、数据以及控制信息（如作业控制语言JCL）。作业是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。

例如，一个用户编写了一个C语言程序，想要计算斐波那契数列的前10项，他需要将源代码、输入数据以及如何运行的控制命令一起提交给操作系统。这个完整的任务就是一个作业。

1.2 作业的分类

根据处理方式的不同，作业可以分为两大类：

1.2.1 批处理作业（Batch Job）

批处理作业是指用户将作业提交给系统后，系统按照一定的顺序自动处理，用户无需干预。这种作业通常用于处理大量相似的任务，如银行的月末结算、科学计算等。

特点：

无需人工交互
作业排队等待处理
适合处理大量数据

1.2.2 交互式作业（Interactive Job）

交互式作业是指用户通过终端与系统进行实时交互的作业。用户输入命令，系统立即响应并返回结果。例如，使用文本编辑器编写代码、在命令行中运行程序等。

特点：

需要用户实时参与
响应时间短
适合调试和开发

二、作业的生命周期：从提交到完成

作业的生命周期可以分为四个主要阶段：提交、进入内存、执行和完成。每个阶段都涉及操作系统的重要机制。

2.1 作业提交（Job Submission）

作业提交是用户将作业提交给操作系统的第一个步骤。用户通过作业控制语言（Job Control Language, JCL）或命令行界面（CLI）指定作业的参数，如程序名、输入数据、输出要求等。

示例：在Linux系统中提交一个批处理作业

假设我们有一个C语言程序fibonacci.c，用于计算斐波那契数列。我们可以通过以下步骤提交作业：

编写源代码： “`c #include

int main() {

   int n = 10;
   int first = 0, second = 1, next;

   printf("斐波那契数列前 %d 项:\n", n);
   for (int i = 0; i < n; i++) {
       printf("%d ", first);
       next = first + second;
       first = second;
       second = next;
   }
   printf("\n");
   return 0;

}


2. **编译源代码**：
   ```bash
   gcc fibonacci.c -o fibonacci

提交作业：在批处理系统中，用户可能需要编写一个作业控制脚本。例如，在Slurm作业调度系统中，可以编写一个提交脚本submit_job.sh： “`bash #!/bin/bash #SBATCH –job-name=fibonacci_job # 作业名称 #SBATCH –output=fibonacci.out # 输出文件 #SBATCH –error=fibonacci.err # 错误文件 #SBATCH –ntasks=1 # 任务数 #SBATCH –time=00:01:00 # 运行时间限制

# 运行程序 ./fibonacci


4. **提交命令**：
   ```bash
   sbatch submit_job.sh

2.2 作业进入内存（Job Admission）

作业提交后，操作系统会将其放入作业队列中。作业调度器（Job Scheduler）根据系统的资源状况（如内存、CPU时间等）决定是否将作业调入内存。

作业调度器的工作流程：

检查系统资源是否足够（如内存空间、I/O设备等）。
如果资源充足，将作业从外存（如硬盘）调入内存。
为作业创建进程或线程，准备执行。

2.3 作业执行（Job Execution）

作业进入内存后，操作系统会将其转换为一个或多个进程，并交给进程调度器（Process Scheduler）进行CPU调度。进程调度器根据调度算法（如先来先服务、时间片轮转、优先级调度等）分配CPU时间。

示例：进程调度算法

假设系统中有三个进程（作业），它们的到达时间和执行时间如下：

进程	到达时间	执行时间
P1	0	5
P2	1	3
P3	2	8

先来先服务（FCFS）调度：

P1先执行，执行时间为5个单位。
P2等待5个单位后开始执行，执行时间为3个单位。
P3等待8个单位后开始执行，执行时间为8个单位。
平均等待时间：(0 + 5 + 8) / 3 = 4.33

最短作业优先（SJF）调度：

P2（执行时间3）先执行。
P1（执行时间5）执行。
P3（执行时间8）最后执行。
平均等待时间：(3 + 0 + 8) / 3 = 3.67

2.4 作业完成（Job Completion）

作业执行完毕后，操作系统会回收其占用的资源（如内存、I/O设备等），并将输出结果返回给用户。作业完成阶段包括：

终止进程。
释放资源。
将输出结果写入指定的文件或设备。

三、作业调度算法详解

作业调度算法决定了哪个作业将被选中进入内存执行。常见的作业调度算法包括：

3.1 先来先服务（FCFS）

FCFS按照作业提交的顺序进行调度。这是最简单的调度算法，但可能导致短作业等待长作业，从而降低系统吞吐量。

示例： 假设有三个作业A、B、C，到达时间和执行时间如下：

作业	到达时间	执行时间
A	0	10
B	1	2
C	2	1

按照FCFS：

A先执行，执行时间为10。
B等待9个单位后执行，执行时间为2。
C等待11个单位后执行，执行时间为1。
平均等待时间：(0 + 9 + 11) / 3 = 6.67

3.2 最短作业优先（SJF）

SJF选择执行时间最短的作业优先执行。这可以减少平均等待时间，但需要预知作业的执行时间。

示例： 使用上面的数据，按照SJF：

C（执行时间1）先执行。
B（执行时间2）执行。
A（执行时间10）最后执行。
平均等待时间：(2 + 0 + 10) / 3 = 4

3.3 优先级调度（Priority Scheduling）

优先级调度根据作业的优先级进行调度。优先级可以由用户指定或系统根据作业的特性动态计算。

示例： 假设三个作业的优先级如下（数值越小优先级越高）：

作业	到达时间	执行时间	优先级
A	0	10	3
B	1	2	1
C	2	1	2

按照优先级调度：

B（优先级1）先执行。
C（优先级2）执行。
A（优先级3）最后执行。
平均等待时间：(2 + 0 + 10) / 3 = 4

3.4 时间片轮转（Round Robin）

时间片轮转主要用于分时系统，每个作业被分配一个固定的时间片（如10ms），时间片用完后，作业被放回队列末尾，等待下一次调度。

示例： 假设时间片为2ms，三个作业的执行时间分别为5ms、3ms、8ms。

调度过程：

P1执行2ms，剩余3ms。
P2执行2ms，剩余1ms。
P3执行2ms，剩余6ms。
P1执行2ms，剩余1ms。
P2执行1ms，完成。
P3执行2ms，剩余4ms。
P1执行1ms，完成。
P3执行4ms，完成。

四、从代码到运行的幕后推手

从用户编写代码到程序在操作系统中运行，涉及多个步骤和幕后推手。

4.1 编译与链接

用户编写的源代码（如C语言）需要经过编译器编译成目标代码，然后通过链接器链接成可执行文件。

示例：编译和链接过程

预处理：处理宏定义和头文件。
```
gcc -E fibonacci.c -o fibonacci.i
```
编译：将预处理后的代码编译成汇编代码。
```
gcc -S fibonacci.i -o fibonacci.s
```
汇编：将汇编代码转换成机器代码（目标文件）。
```
gcc -c fibonacci.s -o fibonacci.o
```
链接：将目标文件与库文件链接成可执行文件。
```
gcc fibonacci.o -o fibonacci
```

4.2 程序加载

当用户执行可执行文件时，操作系统的加载器（Loader）负责将程序从外存加载到内存中，并为程序分配内存空间。

加载过程：

分配内存：为程序的代码段、数据段、堆栈段分配内存。
加载代码：将可执行文件的代码段和数据段加载到内存中。
初始化：初始化程序计数器（PC）和栈指针（SP）。

4.3 进程创建与调度

加载完成后，操作系统会创建一个进程来执行程序。进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。

进程创建过程：

分配进程控制块（PCB）：PCB是操作系统用于管理进程的数据结构，包含进程ID、状态、程序计数器、寄存器值、内存指针等信息。
分配资源：为进程分配内存、文件描述符等资源。
初始化：初始化进程的上下文，包括程序计数器、栈指针等。

4.4 CPU调度

进程创建后，进程调度器根据调度算法分配CPU时间。调度器决定哪个进程在何时使用CPU。

示例：Linux系统中的进程调度

Linux系统使用完全公平调度器（Completely Fair Scheduler, CFS）来调度进程。CFS的目标是让每个进程获得公平的CPU时间。

CFS的核心思想：

维护一个红黑树（Red-Black Tree），按进程的虚拟运行时间（vruntime）排序。
选择vruntime最小的进程执行。
进程运行时，vruntime增加。
当进程vruntime增加后，可能会被其他进程抢占。

代码示例：查看进程调度信息

在Linux系统中，可以通过以下命令查看进程的调度信息：

# 查看进程的调度策略和优先级
chrt -p <PID>

# 查看进程的调度统计信息
cat /proc/<PID>/sched

五、作业管理与监控

5.1 作业状态

作业在其生命周期中会经历多种状态，常见的状态包括：

提交状态（Submit）：作业已提交，但尚未进入系统。
等待状态（Wait）：作业在队列中等待调度。
运行状态（Run）：作业正在执行。
完成状态（Finish）：作业执行完毕。
异常状态（Error）：作业因错误而终止。

5.2 作业监控工具

操作系统提供了多种工具来监控作业的运行状态。

示例：Linux系统中的作业监控

ps命令：查看当前进程的状态。
```
ps aux | grep fibonacci
```
top命令：实时显示系统中各个进程的资源占用情况。
```
top
```
htop命令：增强版的top命令，提供更友好的界面。
```
htop
```
作业调度系统监控：在高性能计算集群中，使用作业调度系统（如Slurm）监控作业状态。
```
squeue -u <username>  # 查看用户作业队列
scontrol show job <jobid>  # 查看作业详细信息
```

六、作业调度的高级主题

6.1 多处理器调度

在多处理器系统中，作业调度变得更加复杂。调度器需要考虑处理器亲和性（Processor Affinity），即尽量让进程在同一个处理器上运行，以减少缓存失效。

6.2 实时调度

实时系统要求作业在规定的时间内完成。实时调度算法包括：

硬实时调度：必须满足截止时间，否则会导致严重后果。
软实时调度：尽量满足截止时间，但偶尔错过是可以接受的。

6.3 负载均衡

在多处理器或多计算机系统中，负载均衡是确保所有处理器都充分利用的关键。调度器需要将作业分配到负载较轻的处理器或节点上。

七、总结

作业是操作系统管理用户任务的基本单位，其生命周期包括提交、进入内存、执行和完成。作业调度算法决定了哪个作业优先进入内存执行，常见的算法包括FCFS、SJF、优先级调度和时间片轮转。从代码到运行的幕后推手包括编译器、链接器、加载器和进程调度器。

理解作业的管理与调度对于优化系统性能、提高资源利用率至关重要。无论是批处理作业还是交互式作业，操作系统都通过复杂的机制确保任务高效、公平地执行。希望通过本文的详细解析，读者能够对操作系统中的作业有更深入的理解，并在实际应用中更好地利用系统资源。

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