进程调度算法总结

Posted 2020-07-22

实现操作系统的主要进程调度算法：先来先服务(FCFS)算法，短进程优先(SPN)算法和时间片轮转(RR)算法。

1、先来先服务 （FCFS，first come first served）

在所有调度算法中，最简单的是非抢占式的FCFS算法。

算法原理：进程按照它们请求CPU的顺序使用CPU.就像你买东西去排队，谁第一个排，谁就先被执行，在它执行的过程中，不会中断它。当其他人也想进入内存被执行，就要排队等着，如果在执行过程中出现一些事，他现在不想排队了，下一个排队的就补上。此时如果他又想排队了，只能站到队尾去。

算法优点：易于理解且实现简单，只需要一个队列(FIFO)，且相当公平

算法缺点：比较有利于长进程，而不利于短进程，有利于CPU 繁忙的进程，而不利于I/O 繁忙的进程

2、最短作业优先（SJF, Shortest Job First）

短作业优先（SJF, Shortest Job First）又称为“短进程优先”SPN(Shortest Process Next)；这是对FCFS算法的改进，其目标是减少平均周转时间。

算法原理：对预计执行时间短的进程优先分派处理机。通常后来的短进程不抢先正在执行的进程。

算法优点：相比FCFS 算法，该算法可改善平均周转时间和平均带权周转时间，缩短进程的等待时间，提高系统的吞吐量。

算法缺点：对长进程非常不利，可能长时间得不到执行，且未能依据进程的紧迫程度来划分执行的优先级，以及难以准确估计进程的执行时间，从而影响调度性能。

SJF的变型

“最短剩余时间优先”SRT(Shortest Remaining Time)（允许比当前进程剩余时间更短的进程来抢占）

“最高响应比优先”HRRN(Highest Response Ratio Next)（响应比R = (等待时间 + 要求执行时间) / 要求执行时间，是FCFS和SJF的折衷）

3、最高响应比优先法(HRRN，Highest Response Ratio Next)

最高响应比优先法(HRRN，Highest Response Ratio Next)是对FCFS方式和SJF方式的一种综合平衡。FCFS方式只考虑每个作业的等待时间而未考虑执行时间的长短，而SJF方式只考虑执行时间而未考虑等待时间的长短。因此，这两种调度算法在某些极端情况下会带来某些不便。HRN调度策略同时考虑每个作业的等待时间长短和估计需要的执行时间长短，从中选出响应比最高的作业投入执行。这样，即使是长作业，随着它等待时间的增加，W / T也就随着增加，也就有机会获得调度执行。这种算法是介于FCFS和SJF之间的一种折中算法。

算法原理：响应比R定义如下： R =(W+T)/T = 1+W/T

其中T为该作业估计需要的执行时间，W为作业在后备状态队列中的等待时间。每当要进行作业调度时，系统计算每个作业的响应比，选择其中R最大者投入执行。

算法优点：由于长作业也有机会投入运行，在同一时间内处理的作业数显然要少于SJF法，从而采用HRRN方式时其吞吐量将小于采用SJF 法时的吞吐量。

算法缺点：由于每次调度前要计算响应比，系统开销也要相应增加。

4、时间片轮转算法（RR，Round-Robin）

该算法采用剥夺策略。时间片轮转调度是一种最古老，最简单，最公平且使用最广的算法，又称RR调度。每个进程被分配一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间。

算法原理：让就绪进程以FCFS 的方式按时间片轮流使用CPU 的调度方式，即将系统中所有的就绪进程按照FCFS 原则，排成一个队列，每次调度时将CPU 分派给队首进程，让其执行一个时间片，时间片的长度从几个ms 到几百ms。在一个时间片结束时，发生时钟中断，调度程序据此暂停当前进程的执行，将其送到就绪队列的末尾，并通过上下文切换执行当前的队首进程，进程可以未使用完一个时间片，就出让CPU（如阻塞）。

算法优点：时间片轮转调度算法的特点是简单易行、平均响应时间短。

算法缺点：不利于处理紧急作业。在时间片轮转算法中，时间片的大小对系统性能的影响很大，因此时间片的大小应选择恰当。

时间片大小的确定

1.系统对响应时间的要求

2.就绪队列中进程的数目

3.系统的处理能力

5、多级反馈队列(Multilevel Feedback Queue)

多级反馈队列调度算法是一种CPU处理机调度算法，UNIX操作系统采取的便是这种调度算法。

算法原理：

1、设有N个队列（Q1,Q2....QN），其中各个队列对于处理机的优先级是不一样的，也就是说位于各个队列中的作业(进程)的优先级也是不一样的。一般来说，优先级Priority(Q1) > Priority(Q2) > ... > Priority(QN)。怎么讲，位于Q1中的任何一个作业(进程)都要比Q2中的任何一个作业(进程)相对于CPU的优先级要高（也就是说，Q1中的作业一定要比Q2中的作业先被处理机调度），依次类推其它的队列。

2、对于某个特定的队列来说，里面是遵循时间片轮转法。也就是说，位于队列Q2中有N个作业，它们的运行时间是通过Q2这个队列所设定的时间片来确定的（为了便于理解，我们也可以认为特定队列中的作业的优先级是按照FCFS来调度的）。

3、各个队列的时间片是一样的吗？不一样，这就是该算法设计的精妙之处。各个队列的时间片是随着优先级的增加而减少的，也就是说，优先级越高的队列中它的时间片就越短。同时，为了便于那些超大作业的完成，最后一个队列QN(优先级最低的队列)的时间片一般很大(不需要考虑这个问题)。

算法描述：

1、进程在进入待调度的队列等待时，首先进入优先级最高的Q1等待。

2、首先调度优先级高的队列中的进程。若高优先级中队列中已没有调度的进程，则调度次优先级队列中的进程。例如：Q1,Q2,Q3三个队列，只有在Q1中没有进程等待时才去调度Q2，同理，只有Q1,Q2都为空时才会去调度Q3。

3、对于同一个队列中的各个进程，按照时间片轮转法调度。比如Q1队列的时间片为N，那么Q1中的作业在经历了N个时间片后若还没有完成，则进入Q2队列等待，若Q2的时间片用完后作业还不能完成，一直进入下一级队列，直至完成。

4、在低优先级的队列中的进程在运行时，又有新到达的作业，那么在运行完这个时间片后，CPU马上分配给新到达的作业（抢占式）。

该算法是如何运作的：

假设系统中有3个反馈队列Q1,Q2,Q3，时间片分别为2，4，8。

现在有3个作业J1,J2,J3分别在时间 0 ，1，3时刻到达。而它们所需要的CPU时间分别是3，2，1个时间片。

1、时刻0 J1到达。于是进入到队列1 ， 运行1个时间片 ， 时间片还未到，此时J2到达。

2、时刻1 J2到达。 由于时间片仍然由J1掌控，于是等待。 J1在运行了1个时间片后，已经完成了在Q1中的2个时间片的限制，于是J1置于Q2等待被调度。现在处理机分配给J2。

3、时刻2 J1进入Q2等待调度，J2获得CPU开始运行。

4、时刻3 J3到达，由于J2的时间片未到，故J3在Q1等待调度，J1也在Q2等待调度。

5、时刻4 J2处理完成，由于J3，J1都在等待调度，但是J3所在的队列比J1所在的队列的优先级要高，于是J3被调度，J1继续在Q2等待。

6、时刻5 J3经过1个时间片，完成。

7、时刻6 由于Q1已经空闲，于是开始调度Q2中的作业，则J1得到处理器开始运行。 J1再经过一个时间片，完成了任务。于是整个调度过程结束。

从上面的例子看，在多级反馈队列中，后进的作业不一定慢完成。

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