操作系统进程调度算法

Posted 2023-03-30 小颜-

【操作系统】进程调度算法

文章目录

• 【操作系统】进程调度算法
• • • 先来先服务调度算法
    • 最短作业优先调度算法
    • 高响应比优先调度算法
    • 时间片轮转调度算法
    • 最高优先级调度算法
    • 多级反馈队列调度算法

进程调度算法也称 CPU 调度算法，毕竟进程是由 CPU 调度的。

当 CPU 空闲时，操作系统就选择内存中的某个「就绪状态」的进程，并给其分配 CPU。

什么时候会发生 CPU 调度呢？通常有以下情况：

1. 当进程从运行状态转到等待状态；
2. 当进程从运行状态转到就绪状态；
3. 当进程从等待状态转到就绪状态；
4. 当进程从运行状态转到终止状态；

其中发生在 1 和 4 两种情况下的调度称为「非抢占式调度」，2 和 3 两种情况下发生的调度称为「抢占式调度」。

非抢占式的意思就是，当进程正在运行时，它就会一直运行，直到该进程完成或发生某个事件而被阻塞时，才会把 CPU 让给其他进程。

而抢占式调度，顾名思义就是进程正在运行的时，可以被打断，使其把 CPU 让给其他进程。那抢占的原则一般有三种，分别是时间片原则、优先权原则、短作业优先原则。

你可能会好奇为什么第 3 种情况也会发生 CPU 调度呢？假设有一个进程是处于等待状态的，但是它的优先级比较高，如果该进程等待的事件发生了，它就会转到就绪状态，一旦它转到就绪状态，如果我们的调度算法是以优先级来进行调度的，那么它就会立马抢占正在运行的进程，所以这个时候就会发生 CPU 调度。

那第 2 种状态通常是时间片到的情况，因为时间片到了就会发生中断，于是就会抢占正在运行的进程，从而占用 CPU。

调度算法影响的是等待时间（进程在就绪队列中等待调度的时间总和），而不能影响进程真在使用 CPU 的时间和 I/O 时间。

接下来，说说常见的调度算法：

• 先来先服务调度算法
• 最短作业优先调度算法
• 高响应比优先调度算法
• 时间片轮转调度算法
• 最高优先级调度算法
• 多级反馈队列调度算法

先来先服务调度算法

最简单的一个调度算法，就是非抢占式的先来先服务（*First Come First Severd, FCFS*）算法了。

顾名思义，先来后到，每次从就绪队列选择最先进入队列的进程，然后一直运行，直到进程退出或被阻塞，才会继续从队列中选择第一个进程接着运行。

这似乎很公平，但是当一个长作业先运行了，那么后面的短作业等待的时间就会很长，不利于短作业。

FCFS 对长作业有利，适用于 CPU 繁忙型作业的系统，而不适用于 I/O 繁忙型作业的系统。

最短作业优先调度算法

最短作业优先（*Shortest Job First, SJF*）调度算法同样也是顾名思义，它会优先选择运行时间最短的进程来运行，这有助于提高系统的吞吐量。

这显然对长作业不利，很容易造成一种极端现象。

比如，一个长作业在就绪队列等待运行，而这个就绪队列有非常多的短作业，那么就会使得长作业不断的往后推，周转时间变长，致使长作业长期不会被运行。

高响应比优先调度算法

前面的「先来先服务调度算法」和「最短作业优先调度算法」都没有很好的权衡短作业和长作业。

那么，高响应比优先 （*Highest Response Ratio Next, HRRN*）调度算法主要是权衡了短作业和长作业。

每次进行进程调度时，先计算「响应比优先级」，然后把「响应比优先级」最高的进程投入运行，「响应比优先级」的计算公式：

从上面的公式，可以发现：

• 如果两个进程的「等待时间」相同时，「要求的服务时间」越短，「响应比」就越高，这样短作业的进程容易被选中运行；
• 如果两个进程「要求的服务时间」相同时，「等待时间」越长，「响应比」就越高，这就兼顾到了长作业进程，因为进程的响应比可以随时间等待的增加而提高，当其等待时间足够长时，其响应比便可以升到很高，从而获得运行的机会；

时间片轮转调度算法

最古老、最简单、最公平且使用最广的算法就是时间片轮转（*Round Robin, RR*）调度算法。

每个进程被分配一个时间段，称为时间片（*Quantum*），即允许该进程在该时间段中运行。

• 如果时间片用完，进程还在运行，那么将会把此进程从 CPU 释放出来，并把 CPU 分配另外一个进程；
• 如果该进程在时间片结束前阻塞或结束，则 CPU 立即进行切换；

另外，时间片的长度就是一个很关键的点：

• 如果时间片设得太短会导致过多的进程上下文切换，降低了 CPU 效率；
• 如果设得太长又可能引起对短作业进程的响应时间变长。将

通常时间片设为 20ms~50ms 通常是一个比较合理的折中值。

最高优先级调度算法

前面的「时间片轮转算法」做了个假设，即让所有的进程同等重要，也不偏袒谁，大家的运行时间都一样。

但是，对于多用户计算机系统就有不同的看法了，它们希望调度是有优先级的，即希望调度程序能从就绪队列中选择最高优先级的进程进行运行，这称为最高优先级（*Highest Priority First，HPF*）调度算法。

进程的优先级可以分为，静态优先级或动态优先级：

• 静态优先级：创建进程时候，就已经确定了优先级了，然后整个运行时间优先级都不会变化；
• 动态优先级：根据进程的动态变化调整优先级，比如如果进程运行时间增加，则降低其优先级，如果进程等待时间（就绪队列的等待时间）增加，则升高其优先级，也就是随着时间的推移增加等待进程的优先级。

该算法也有两种处理优先级高的方法，非抢占式和抢占式：

• 非抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，运行完当前进程，再选择优先级高的进程。
• 抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，当前进程挂起，调度优先级高的进程运行。

但是依然有缺点，可能会导致低优先级的进程永远不会运行。

多级反馈队列调度算法

多级反馈队列（*Multilevel Feedback Queue*）调度算法是「时间片轮转算法」和「最高优先级算法」的综合和发展。

顾名思义：

• 「多级」表示有多个队列，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短。
• 「反馈」表示如果有新的进程加入优先级高的队列时，立刻停止当前正在运行的进程，转而去运行优先级高的队列；

来看看，它是如何工作的：

• 设置了多个队列，赋予每个队列不同的优先级，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短；
• 新的进程会被放入到第一级队列的末尾，按先来先服务的原则排队等待被调度，如果在第一级队列规定的时间片没运行完成，则将其转入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成；
• 当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时，有新进程进入较高优先级的队列，则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾，接着让较高优先级的进程运行；

可以发现，对于短作业可能可以在第一级队列很快被处理完。对于长作业，如果在第一级队列处理不完，可以移入下次队列等待被执行，虽然等待的时间变长了，但是运行时间也会更长了，所以该算法很好的兼顾了长短作业，同时有较好的响应时间。

操作系统---常见进程调度算法

            常见进程调度算法

轮转调度算法(RR)、优先级调度算法、多队列调度算法、多级反馈队列调度算法、保证调度算法、公平分享调度算法。

1 轮转调度算法(RR)

（1）原理：在轮转法中，系统将所有的就绪进程按先来先服务(FIFC)策略排成一个就绪队列。系统可设置每隔一定时间便产生一次中断，去激活进程调度程序进行调度，把CPU分配给队首进程，并令其执行一个时间片。当它运行完毕后，又把处理机分配给就绪队列中新的队首进程，也让它执行一个时间片。这样，就保证就绪队列中的所有进程在确定的时间段内，都能获得一个时间片的处理机时间。

(2) 进程切换时机

  在RR调度算法中，应在何时进行进程的切换，可分两种情况：

  第一种：若一个时间片尚未用完，正在运行的进程便一完成，就立即激活调度程序，将它从就绪队列中删除，再调度就绪队列中队首的进程运行，并启动一个新的时间片。

  第二种：在一个时间片用完后，计时器中断处理程序被激活。如果进程尚未运行完毕，调度程序就将它送往就绪队列的末尾。

 

   

 

2 优先级调度算法

在轮转调度算法中，做了一个隐含的假设，即系统中所有进程的紧迫性是相同。但事实并非如此，为了满足实际情况的需要，在进程中引入了优先级，从而形成了下面之中算法---优先级调度算法。

  （1）优先级调度算法的类型

   优先级进程调度算法，是把处理机分配给就绪队列中优先级的最高的进程。这时，又可进一步把算法分成如下两种：

   第一种：非抢占式优先级调度算法。该算法规定，一旦把处理机分配给就绪队列中优先级最高的进程，该进程便一直执行下去直至完成。或者该进程发生某种事件而放弃处理机时，系统才将处理机重新分配给另一优先级最高的进程。

   第二种：抢占式优先级调度算法。处理机分配给就绪队列中优先级最高的进程，使之执行。但在其执行之间，只要出现优先级更高的进程，调度算法就将处理机分配给新的优先级最高的进程。

  （2）优先级类型

   优先级调度算法的关键在于：应如何确定进程的优先级，以及确定是使用静态优先级还是动态优先级。

   静态优先级：在创建进程时确定的，在进程的整个运行期间保持不变。

   动态优先级：在创建进程之初，先赋予其一个优先级，然后在其值随进程的推进或者等待时间的增加而改变，以便获得更好的调度性能。

 

3、多队列调度算法

   前述的各种调度算法，尤其在应用于进程调度时，由于系统中仅设置一个进程的就绪队列，即低级调度算法是固定的，单一的，无法满足系统中不同用户对进程调度策略的不同要求，在多处理机系统中，这种单一调度策略实现机制的缺点更显突出，由此，多级队列调度算法能够在一定程度上弥补这一点。

   该算法将系统中的进程就绪队列从一个拆分为若干个，将不同类型或性质的进程固定分配在不同的就绪队列，不同的就绪队列采取不同的调度算法，一个就绪队列中的进程可设置不同的优先级，不同的就绪队列本身也可以设置不同的优先级。

   多队列调度算法由于设置多个就绪队列，因此对每个就绪队列就可以实施不同的调度算法，因此，系统针对不同用户进程的需求，很容易提供多种调度策略。

 

 

【前面介绍的各种进程调度算法都有一定的局限性。如果没有指明进程长度，则短进程优先和基于进程长度的抢占式调度算法都将无法使用。而下面所说的多级反馈队列调度算法则不必事先知道各种进程所需的执行时间，还可以较好的满足各种类型进程的需要，因而它是目前公认的一种较好的进程调度算法】

4、多级反馈队列调度算法

   多级反馈队列调度算法的调度机制可如下描述：

   (1) 设置多个就绪队列。在系统中设置多个就绪队列，并为每个队列赋予不同的优先级。第一个队列优先级最高，第二个次之，其余队列的优先级逐个降低。该算法为不同队列中的进程所赋予的时间片的长短也不同，在优先级越高的队列中，其时间片就越小。

  （2）每个队列都采用FCFS算法。当新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则等待调度。当轮到该进程执行时，如它能够在时间片内完成，便可撤离系统，否则，即它在一个时间片内未完成，调度程序将其转入第二队列的末尾等待调度，如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成，再次将它放入第三队列。。。，依次类推。当进程最后降到第n队列后，在第n队列中采取按RR方式运行。

  (3) 按队列优先级调度。调度程序首先调度最高优先级队列中的诸进程运行。仅当第一队列空闲时才调度第二队列中的进程运行；换言之，仅当1-[i-1]所有队列均为空时，才会调度第i队列中的进行运行。如果处理机正在第i队列中为某一进程服务时又有新的进程进入任一优先级较高的队列，此时立即把正在运行的进程放回到第i队列的末尾，而把处理机分配给新到的高优先级进程。

调度算法性能

如果规定第一个队列的时间片略大于多数人机交互所需之处理时间时，能较好的满足各种类型的用户的需求。

（1）终端型用户

（2）短批处理作业用户

（3）长批处理作业用户

 

基于公平原则的调度算法

5、保证调度算法：非配给【每个进程】相同的处理机时间。

6、公平分享调度算法：非配给【每个用户】相同的处理机时间。

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