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Posted 2021-10-25 H_Cisco

目录

• 一、调度算法评价标准
• • 1.CPU资源利用率
  • 2.系统吞吐量
  • 3.周转时间
  • 4.等待时间
  • 5.响应时间
• 二、FCFS、SJF、HRRN调度算法
• • 1.先来先服务（FCFS）
  • 2.短作业优先（SJF）
  • 3.高响应比优先（HRRN）
• 三、 三种调度算法的对比
• 四、时间片轮转、优先级调度、多级反馈队列调度算法
• • 1.时间片轮转调度算法RR
  • 2.优先级调度算法
  • 3.多级反馈队列调度算法
• 五、三种调度算法的对比

一、调度算法评价标准

1.CPU资源利用率

1️⃣.CPU资源利用率 = 忙碌时间 / 总时间

2️⃣. 多道程序并发执行:用甘特图

2.系统吞吐量

1️⃣.单位时间内完成作业的数量
2️⃣.系统吞吐量 = 总共完成了多少道作业 / 总共花了多少时间

3.周转时间

1️⃣.周转时间：是指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。
↘️ 计算：周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间
2️⃣.平均周转时间 = 各作业周转时间之和 / 作业数
3️⃣.带权周转时间：作业周转时间 / 作业实际运行的时间 = （作业完成时间 - 作业提交时间） / 作业实际运行的时间
4️⃣.平均带权周转时间：各作业带权周转时间之和 / 作业数

4.等待时间

1️⃣.等待时间：指进程 / 作业处于等待处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。
2️⃣.对于进程来说，等待时间就是指进程建立后等待被服务的时间之和，在等待I/O完成的期间其实进程也是在被服务的，所以不计入等待时间。
3️⃣.对于作业来说，不仅要考虑建立进程后的等待时间，还要加上作业在外存后备队列中等待的时间
4️⃣.一个作业总共需要被CPU服务多久，被I/O设备服务多久一般是确定不变的，因此调度算法其实只会影响作业/进程的等待时间。当然，与前面指标类似，也有“平均等待时间”来评价整体性能。

5.响应时间

1️⃣.响应时间：指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。

二、FCFS、SJF、HRRN调度算法

↘️（ 一般适用于早期的批处理系统）

1.先来先服务（FCFS）

①算法思想、②算法规则、③用于作业调度还是进程调度、④抢占式还是非抢占式、⑤优点、缺点、⑥是否会导致饥饿

1. 算法思想：主要从“公平”的角度考虑（类似于我们生活中排队买东西的例子)
2. 算法规则：按照作业/进程到达的先后顺序进行服务
3. 用于作业/进程调度：用于作业调度时，考虑的是哪个作业先到达后备队列；用于进程调度时，考虑的是哪个进程先到达就绪队列
4. 是否抢占：非抢占式算法
5. 优缺点：优点：公平、实现简单；缺点：排在长作业（进程）后面的短作业需要等待很长时间，带权周转时间很大，对短作业来说用户体验不好。即，FCFS算法对长作业有利，对短作业不利(Eg :排队买奶茶🍦…)
6. 是否会导致饥饿：不会
   7.
   
   

2.短作业优先（SJF）

1. 算法思想：追求最少的平均等待时间，最少的平均周转时间、最少的平均平均带权周转时间
2. 算法规则：最短的作业/进程优先得到服务（所谓“最短”，是指要求服务时间最短)
3. 用于作业/进程调度：即可用于作业调度，也可用于进程调度。用于进程调度时称为“短进程优先(SPF, Shortest Process First）算法”
4. 是否抢占：SJF和SPF是非抢占式的算法。但是也有抢占式的版本――最短剩余时间优先算法(SRTN, Shortest Remaining Time Next)
5. 优缺点：优点：‘最短的”平均等待时间、平均周转时间；缺点：不公平。对短作业有利，对长作业不利。可能产生饥饿现象。另外，作业/进程的运行时间是由用户提供的，并不一定真实，不一定能做到真正的短作业优先
6. 是否会导致饥饿：会。如果源源不断地有短作业/进程到来，可能使长作业/进程长时间得不到服务，产生“饥饿”现象。如果一直得不到服务，则称为“饿死”
7. 非抢占式的短作业优先算法SJF：
   
   
   
8. 抢占式的短作业优先算法（最短剩余时间优先算法）SRTN
9. 
   
   

3.高响应比优先（HRRN）

1. 算法思想：要综合考虑作业/进程的等待时间和要求服务的时间
2. 算法规则：在每次调度时先计算各个作业/进程的响应比，选择响应比最高的作业/进程为其服务 响应比 =（等待时间 + 要求服务时间）/要求服务时间
3. 用于作业/进程调度：即可用于作业调度，也可用于进程调度
4. 是否抢占：非抢占式的算法。因此只有当前运行的作业/进程主动放弃处理机时，才需要调度，才需要计算响应比
5. 优缺点：综合考虑了等待时间和运行时间（要求服务时间)，等待时间相同时，要求服务时间短的优先(SJF的优点），要求服务时间相同时，等待时间长的优先（FCFS的优点)，对于长作业来说，随着等待时间越来越久，其响应比也会越来越大，从而避免了长作业饥饿的问题
6. 是否会导致饥饿：不会
   7.
   

三、 三种调度算法的对比

四、时间片轮转、优先级调度、多级反馈队列调度算法

1.时间片轮转调度算法RR

1. 算法思想：公平地、轮流地为各个进程服务，让每个进程在一定时间间隔内都可以得到响应
2. 算法规则：按照各进程到达就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个时间片(如100ms）。若进程未在一个时间片内执行完，则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队。
3. 用于作业/进程调度：用于进程调度（只有作业放入内存建立了相应的进程后，才能被分配处理机时间片)
4. 是否可抢占：若进程未能在时间片内运行完，将被强行剥夺处理机使用权，因此时间片轮转调度算法属于抢占式的算法。由时钟装置发出时钟中断来通知CPU时间片已到
5. 优缺点：优点:公平;响应快，适用于分时操作系统；缺点：由于高频率的进程切换，因此有一定开销;不区分任务的紧急程度。
6. 是否会导致饥饿：不会
7. 如果时间片太大，使得每个进程都可以在一个时间片内就完成，则时间片轮转调度算法退化为先来先服务调度算法，并且会增大进程响应时间。因此时间片不能太大。另一方面，进程调度、切换是有时间代价的（保存、恢复运行环境)，因此如果时间片太小，会导致进程切换过于频繁，系统会花大量的时间来处理进程切换，从而导致实际用于进程执行的时间比例减少。可见时间片也不能太小。
8. 例题：各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用时间片轮转调度算法，分析时间片大小分别是2、5时的进程运行情况。
   
   
   
   
   
   

2.优先级调度算法

1. 算法思想：随着计算机的发展，特别是实时操作系统的出现，越来越多的应用场景需要根据任务的紧急程度来决定处理顺序
2. 算法规则：每个作业/进程有各自的优先级，调度时选择优先级最高的作业/进程
3. 用于作业/进程调度：既可用于作业调度，也可用于进程调度。甚至，还会用于在之后会学习的I/o调度中
4. 是否可抢占：抢占式、非抢占式都有。做题时的区别在于:非抢占式只需在进程主动放弃处理机时进行调度即可，而抢占式还需在就绪队列变化时，检查是否会发生抢占。
5. 优缺点：优点：用优先级区分紧急程度、重要程度，适用于实时操作系统。可灵活地调整对各种作业/进程的偏好程度。缺点：若源源不断地有高优先级进程到来，则可能导致饥饿；
6. 是否会导致饥饿：会
7. 例题：各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间、进程优先数如下表所示。使用非抢占式的优先级调度算法，分析进程运行情况。（注：优先数越大，优先级越高)
8. 
   
9. 例题：各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间、进程优先数如下表所示。使用抢占式的优先级调度算法，分析进程运行情况。（注:优先数越大，优先级越高)
   10.

3.多级反馈队列调度算法

1. 算法思想：对其他调度算法的折中权衡
2. 算法规则：
   1.设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大
   2．新进程到达时先进入第1级队列，按FCFS原则排队等待被分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾。如果此时已经是在 最下级的队列，则重新放回该队列队尾
   3．只有第k级队列为空时，才会为k+1级队头的进程分配时间片
3. 用于作业/进程调度：进程调度
4. 是否可抢占：抢占式的算法。在k级队列的进程运行过程中，若更上级的队列( 1~k-1级）中进入了一个新进程，则由于新进程处于优先级更高的队列 中，因此新进程会抢占处理机，原来运行的进程放回k级队列队尾。
5. 优缺点：对各类型进程相对公平(FCFS的优点）;每个新到达的进程都可以很快就得到响应（RR的优点）﹔短进程只用较少的时间就可完成(SPF的优点）﹔不必实现估计进程的运行时间（避免用户作假)﹔可灵活地调整对各类进程的偏好程度，比如CPU密集型进程、I/o密集型进程（拓展:可以将因I/o而阻塞的进程重新放回原队列，这样I/o型进程就可以保持较高优先级)
6. 是否会导致饥饿：
7. 例题：各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用多级反馈队列调度算法，分析进程运行的过程。
   
8. 过程分析：
   ①.设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大。
   ②.比如第一级队列的执行时间片就是1个长度时间单位。新进程到达时先进入第一级队列，按照FCFS原则排队等待被分配时间片。刚开始0时刻，P1进程到达，所以P1会先放入第一级队列，由于他是先到达的此时也没有别的进程，所以P1被分配一个单位的时间片，当P1执行了一个单位的时间片之后，P1会进入第二级队列的队尾；
   ③.接下来，在第一这个时刻，当P1执行结束之后，P2会紧随其后进入第一级队列，此时由于更改级别的队列还有进程，所以不会处理第二级队列里面的P1进程。因此，1这个时刻会选择P2这个进程让他上处理机运行，运行完一个单位的时间之后，P2进程就会放到第二级队列的队尾；
   ④.接下来，在2这个时刻，由于更高级的第一级队列已经全部为空了，所以才会对第二级队列进行调度，P1会执行两个单位的时间片，P1执行完后，他的运行时间还没有到，所以P1会进入第三级的队列；此时，下一次调度由于第二级队列还有P2进程，所以让P2执行两个时间片，但是当P2运行了一个单位的时间片之后。
   ⑤.在5这个时刻，P3进程到达第一级队列，由于此时有一个更高优先级的进程到达，所以会发生抢占处理机的情况。此时P2进程会被剥夺处理机，P2会被放到第二级队列的队尾，之后P3抢占处理机运行，运行完一个时间片之后，P3进程执行完毕，调出内存。
   ⑥.接下来P2开始运行，由于P2之前运行了2个时间片，所以这次P2上处理机运行的时候，运行完两个单位的时间片之后，总的4个时间片执行完毕P2被调出内存；
   ⑦.当第一级第二级队列都为空时，才会调度第三级队列的进程，让P1上处理机运行四个单位的时间，当P1运行完四个单位的时间之后，P1总共运行了1+2+4=7的单位的时间片，还需一个单位的时间片，由于此时P1已经在最下面一级，所以P1会被放入第三级队列的队尾，再次被调入，执行完一个单位的时间就满足八个单位的时间，P1完成调出内存。

五、三种调度算法的对比