第4章 进程调度

Posted 2021-11-07 可能自洽

第4章 进程调度

一、处理机调度

1.处理机调度的概念

在多道程序系统中，进程的数量往往是多于处理机的个数的，这样不可能同时并行地处理各个进程。
处理机调度，就是从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程的并发执行

2.调度的三个层次

2.1 高级调度

由于内存空间有限，有时无法将用户提交的作业全部放入内存，因此就需要确定某种规则来决定将作业调入内存的顺序。高级调度（作业调度）。按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个(或多个）作业，给他们分配内存等必要资源，并建立相应的进程（建立PCB），以使它们获得竞争处理机的权利
高级调度是辅存（外存）与内存之间的调度。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立相应的PCB，作业调出时才撤销PCB。高级调度主要是指调入的问题，因为只有调入的时机需要操作系统来确定，但调出的时机必然是作业运行结束才调出

2.2 中级调度

引入了虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且内存又稍有空闲时，再重新调入内存，这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。值得注意的是，PCB并不会一起调到外存，而是会常驻内存。PCB中会记录进程数据在外存中的存放位置，进程状态等信息，操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到的挂起队列中。
中级调度（内存调度），就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。

2.3 低级调度

低级调度（进程调度)，其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。
进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。

二、调度的时机、切换与过程

1.进程调度的时机

进程调度（低级调度)，就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机

1.1 需要进行进程调度与切换的情况

(1) 当前运行的进程主动放弃处理机

进程正常终止
运行过程中发生异常而终止
进程主动请求阻塞（如等待I/O)

(2) 当前运行的进程被动放弃处理机

分给进程的时间片用完
有更紧急的事需要处理（如l/O中断)
有更高优先级的进程进入就绪队列

1.2 不能进行进程调度与切换的情况

(1) 在处理中断的过程中。中断处理过程复杂，与硬件密切相关，很难做到在中断处理过程中进行进程切换

(2) 进程在操作系统内核程序临界区中（但是进程在普通临界区中是可以进行调度、切换的）

(3) 在原子操作过程中（原语）。原子操作不可中断，要一气呵成（如之前讲过的修改PCB中进程状态标志，并把PCB放到相应队列)

2.进程调度的方式

2.1 非剥夺调度方式，又称非抢占方式

只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便有更紧迫的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。
实现简单，系统开销小但是无法及时处理紧急任务，适合于早期的批处理系统

2.2 剥夺调度方式，又称抢占方式

当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机，则立即暂停正在执行的进程，将处理机分配给更重要紧迫的那个进程。
可以优先处理更紧急的进程,也可实现让各进程按时间片轮流执行的功能（通过时钟中断）。适合于分时操作系统、实时操作系统

3.进程的切换与过程

3.1 对原来运行进程各种数据的保存

3.2 对新的进程各种数据的恢复

如:程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息，这些信息一般保存在进程控制块

三、调度算法的评价指标

1.CPU利用率

指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例

2.系统吞吐量

单位时间内完成作业的数量

3.（作业）周转时间

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

3.1 周转时间

=作业完成时间-作业提交时间
它包括四个部分:作业在外存后备队列上等待作业调度（高级调度）的时间、进程在就绪队列上等待进程调度（低级调度）的时间、进程在CPU上执行的时间、进程等待I/O操作完成的时间。后三项在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次。

3.2 带权周转时间

$=\frac{作业周转时间}{作业实际运行的时间}=\frac{作业完成时间-作业提交时间}{作业实际运行的时间}$

4.等待时间

指进程/作业处于等待处理机状态时间之和
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。
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。
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

指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间

四、调度算法

1.先来先服务（FCFS,First Come First Serve）

1.1 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)

1.2 算法规则

按照作业/进程到达的先后顺序进行服务

1.3 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

1.4 是否可抢占?

非抢占式的算法

1.5 优缺点

优点:公平、算法实现简单
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

1.6 是否会导致饥饿（某进程/作业长期得不到服务）

不会

2.短作业优先（SJF, Shortest Job First）

2.1 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

2.2 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)

2.3 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”

2.4 是否可抢占?

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)

2.5 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

2.6 是否会导致饥饿（某进程/作业长期得不到服务）

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”

3.高响应比优先(HRRN，Highest Response Ratio Next)

3.1 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

3.2 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
$响应比=\frac{等待时间+要求服务时间}{要求服务时间}$

3.3 用于作业/进程调度

即可用于作业调度，也可用于进程调度

3.4 是否可抢占?

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

3.5 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

3.6 是否会导致饥饿（某进程/作业长期得不到服务）

不会

4.时间片轮转（RR, Round-Robin)

4.1 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

4.2 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

4.3 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)

4.4 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

4.5 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;不区分侥务的紧急程度

4.6是否会导致饥饿（某进程/作业长期得不到服务）

不会

5.优先级调度算法

5.1 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

5.2 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

5.3 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

5.4 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。

5.5 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

5.6是否会导致饥饿（某进程/作业长期得不到服务）

会

6.多级反馈队列调度算法

6.1 算法思想

对其他调度算法的折中权衡

6.2 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

(4) 被抢占处理机的进程重新放回原队列队尾

6.3 用于作业/进程调度

用于进程调度

6.4 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。

6.5 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)

6.6是否会导致饥饿（某进程/作业长期得不到服务）

会