进程调度算法

Posted 2020-07-24

一、进程调度的任务

（1）保存处理机的现场信息。在进行调度时首先要保存当前的处理机的现场信息。

（2）按某种算法选取进程。调度程序按某种算法选取进程，将其状态改为运行状态，并准备把处理机分配给它。

（3）把处理机分配给进程。由分派程序把处理机分派给该进程，此时需要将选中的进程的进程控制块内有关处理机现场的信息装入处理机相应的各个寄存器中，把处理机的控制权予于该进程，让它在上次的断电出恢复。

二、进程调度算法

1. 轮转调度算法

该算法采用剥夺策略。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）。时间片轮转调度算法的特点是简单易行、平均响应时间短，但不利于处理紧急作业。

显然，轮转法只能用来调度分配一些可以抢占的资源。这些可以抢占的资源可以随时被剥夺，而且可以将它们再分配给别的进程。CPU是可抢占资源的一种。但 打印机等资源是不可抢占的。由于作业调度是对除了CPU之外的所有系统硬件资源的分配，其中包含有不可抢占资源，所以作业调度不使用轮转法。在轮转法中， 时间片长度的选取非常重要。首先，时间片长度的选择会直接影响到系统的开销和响应时间。如果时间片长度过短，则调度程序抢占处理机的次数增多。这将使进程 上下文切换次数也大大增加，从而加重系统开销。反过来，如果时间片长度选择过长，例如，一个时间片能保证就绪队列中所需执行时间最长的进程能执行完毕，则 轮转法变成了先来先服务法。时间片长度的选择是根据系统对响应时间的要求和就绪队列中所允许最大的进程数来确定的。

 在轮转法中，加入到就绪队列的进程有3种情况，一种是分给它的时间片用完，但进程还未完成，回到就绪队列的末尾等待下次调度去继续执行。另一 种情况是分给该进程的时间片并未用完，只是因为请求I/O或由于进程的互斥与同步关系而被阻塞。当阻塞解除之后再回到就绪队列。第三种情况就是新创建进程 进入就绪队列。如果对这些进程区别对待，给予不同的优先级和时间片，从直观上看，可以进一步改善系统服务质量和效率。例如，我们可把就绪队列按照进程到达 就绪队列的类型和进程被阻塞时的阻塞原因分成不同的就绪队列，每个队列按FCFS原则排列，各队列之间的进程享有不同的优先级，但同一队列内优先级相同。 这样，当一个进程在执行完它的时间片之后，或从睡眠中被唤醒以及被创建之后，将进入不同的就绪队列。

2. 优先级调度算法

在时间片轮转调度算法中，做了一个隐含的假设，即系统中所有的进程时间紧迫性是相同的。但实际并非如此，为了满足实际的需求，在进程调度算法中引入优先级，而形成优先级调度算法。

优先级调度算法核心是确定进程的优先级。首先，系统或用户按某种原则为进程指定一个优先级来表示该进程所享有的调度优先权。确定优先级的方法较多，一般可分为 两类，即静态法和动态法。静态法根据进程的静态特性，在进程开始执行之前就确定它们的优先级，一旦开始执行之后就不能改变。动态法则不然，它把进程的静态 特性和动态特性结合起来确定进程的优先级，随着进程的执行过程，其优先级不断变化。  

<1>进程的静态优先级确定最基本的方法是按照进程的类型给予不同的优先级。例如，在有些系统中，进程被划分为系统进程和用户进程。系统进程享有比用户进程高 的优先级；对于用户进程来说，则可以分为：I/O繁忙的进程、CPU繁忙的进程、I/O与CPU均衡的进程和其他进程等。

基于静态优先级的调度算法实现简单，系统开销小，但由于静态优先级一旦确定之后，直到执行结束为止始终保持不变，从而系统效率较低，调度性能不高。现在的操作系统中，如果使用优先级调度的话，则大多采用动态优先级的调度策略。

<2>进程的动态优先级一般可以根据以下两个方面来确定：

 (1)根据进程占有CPU时间的长短来决定。一个进程占有处理机的时间愈长，则在被阻塞之后再次获得调度的优先级就越低。反之，其获得调度的可能性就会越大。

 (2)根据就绪进程等待CPU的时间长短来决定。一个就绪进程在就绪队列中等待的时间越长，则它获得调度选中的优先级就越高。

由于动态优先级随时间的推移而变化，系统要经常计算各个进程的优先级，因此，系统要为此付出一定的开销。

优先级优先调度算法用于多道批处理系统中较好，但它使得优先级较低的进程等待时间较长，这对于分时系统中要想获得较好的响应时间是不允许的，所以在分时系统中多采用时间片轮转法来进行进程调度。

 

3.多队列调度算法

在进程调度时，由于系统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，这种单一的调度策略实现机制的缺点更突出，多队列调度算法能够在一定的程度上弥补这一缺点。

该算法将系统中的进程就绪队列一个拆分成若干个。将不同类型或性质的进程固定分配在不同在不同的就绪队列，不同的就绪队列采用不同的调度算法，就绪队列中的进程可设不同的优先级。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。

4.多级反馈队列调度算法

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，而且还可以满足各种类型进程的需要，因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法。

(1) 设置多个就绪队列。在系统中设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执 行时间片的大小也各不相同，在优先权愈高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就愈小。例如，第二个队列的时间片要比第一个队列的时间片长一倍，……， 第i+1个队列的时间片要比第i个队列的时间片长一倍。

(2) 每个队列都采用FCFS算法。当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可准备撤离系统；如 果它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾，再同样地按FCFS原则等待调度执行；如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未 完成，再依次将它放入第三队列，……，如此下去，当一个长作业(进程)从第一队列依次降到第n队列后，在第n队列便采取按时间片轮转的方式运行。

(3) 按队列优先级调度。仅当第一队列空闲时，调度程序才调度第二队列中的进程运行；仅当第1～(i-1)队列均空时，才会调度第i队列中的进程运行。如果处理机正在第i队列中为 某进程服务时，又有新进程进入优先权较高的队列(第1～(i-1)中的任何一个队列)，则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机，即由调度程序把正在运行 的进程放回到第i队列的末尾，把处理机分配给新到的高优先权进程。

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