操作系统(四)

一、调度算法的评价标准1.cpu利用率cpu利用率cpu忙碌时间 / 总时间2.系统吞吐量单位时间内完成的作业数量 系统吞吐量完成的作业数量/总时间3.周转时间从作业被提交给系统开始到作业完成为止的整个时间周期 周转时间包含四个方面 (1)作业在外存后备队列上等待作业调度(高级调度)的时间 (2)进程在就绪队列等待进程调度(低级调度)的时间 (3)进程在cpu上执行的时间 (4)进程在I/O操作上完成的时间后三个操作在整个作业过程中会发生多次周转时间作业完成时间-作业提交时间 平均周转时间各个作业周转时间/作业总数OS更关心平均周转时间更关心整体的表现在相同的周转时间下运行时间更长的作业用户体验感更好 因此引入一个概念——带权周转时间 带权周转时间作业周转时间/作业实际运行时间 带权周转时间越小用户体验感越好 平均带权周转时间各作业的带权周转时间之和/作业总数4.等待时间指进程/作业处于等待处理机状态时间之和 等待时间越长用户体验感越差对于进程来说等待时间指进程在被建立后等待被响应的时间的总和在等待I/O完成期间进程仍然被服务所以这段时间不计入在等待时间之内对于作业来说等待时间还应该加入作业在外存的后备队列等待高级调度的时间5.响应时间用户从提交请求到再次响应之间的时间二、调度算法1.先来先服务调度算法 2.短作业优先调度算法 3.高响应比调度算法1.先来先服务FCFS算法思想按照作业或进程到达的先后顺序进行服务 等待时间越久越优先得到服务属于非抢占式算法 优点 公平、算法实现简单 先来先服务算法不会导致饥饿 饥饿进程/作业长期得不到服务 缺点 排在长作业/进程后的短作业/进程需要等待更长的时间被响应 带权周转时间较大短作业/进程的用户体验感更差 对长作业有利对短作业不利2.短作业优先SJF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带权周转时间 要求服务时间最短的作业/进程优先进行服务短作业/进程优先的算法可分为两个类别非抢占式每次调度时选择在已到达且运行时间最短的作业/进程进行调度抢占式又叫最短剩余时间优先调度算法每当有新的进程到达就绪队列发生改变时就需要进行调度如果新到达的进程的运行时间小于当前正在运行的进程的剩余运行时间则新进程抢占处理机当前运行的进程重新回到就绪队列另外每当一个进程运行结束后也要进行调度抢占式的短作业运优先调度算法的平均等待时间最短平均周转时间最短短作业优先算法的优点平均等待时间较短平均周转时间较短缺点不公平对短作业有利不利于长作业可能会出现饥饿现象如果某个进程长时间得不到服务会饿死3.高响应比优先HRRN算法思想要求综合考虑作业或进程的等待时间和要求服务的时间 在每次调度时计算各作业/进程的响应比选择响应比最高的进行调度 响应比等待时间要求服务时间/ 要求服务时间高响应比是非抢占式调度算法只有在当前运行的进程主动放弃cpu正常结束/主动要求阻塞才会进行调度计算所有就绪队列中进程的响应比选择响应比最高的进程进行服务优点 综合了先来先服务和短作业优先两种算法的优点综上三种调度算法主要适用于早期批处理操作系统三、适用于交互式系统的调度算法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1.时间片轮转调度算法思想公平地、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算法规划按照各进程到达就绪队列的顺序轮流地让各个进程执行一个时间片如果进程在一个时间片内未执行完则剥夺处理机使用将进程重新放到就绪队列的队尾重新排队该调度算法用于进程调度只有作业放入内存中建立了相应的进程才会分配处理机时间片该算法是抢占式的调度算法由时钟装置发出时钟信号来通知cpu时间片到时间片大小的考虑时间片较大如果每个进程都可以在一个时间片内结束该算法会退化为先来先服务算法增大进程的响应时间时间片较小会导致处理机频繁地进行进程切换系统会消耗大量的时间和资源进行进程的切换所以时间片的大小应该适中不应过大或过小时间片轮转调度算法的优缺点优点公平响应快适用于分时操作系统不会发生饥饿现象缺点由于进程之间切换有一定的开销无法识别进程的紧急程度2.优先级调度算法算法思想随着分时操作系统的出现需要根据任务的紧急程度决定处理顺序算法规划每个进程/作业都有各自的优先级调度时优先选择优先级最高的进行调度该调度算法抢占式和非抢占式皆有又根据优先级是否会改变分为静态优先级和动态优先级静态优先级创建进程时优先级就确定了不再改变动态优先级进程创建时优先级有一个初始值之和根据情况进行动态调整如何合理地设置各进程的优先级系统进程大于用户进程前台进程大于后台进程I/O繁忙型进程大于计算机型进程cpu繁忙型进程I/O设备可以与cpu并行运行所以I/O繁忙进程的优先级应大于cpu繁忙型进程提高资源利用率系统吞吐量优先级调度算法的优缺点优点用优先级区分进程的紧急程度、重要程度适用于实时操作系统可以灵活地调整各个进程或作业的偏好程度缺点如果不断有优先级更高的进程到来会导致之前的进程饿死3.多级反馈队列调度算法算法思想对于其他调度算法的权衡 算法规划 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一级队列按照先来先服务的算法规则排队等待被分配时间片 若时间片结束进程仍没有运行完则进程进入下一级队列的队尾如果此时进程已经在最大 一级队列则插入该队列的队尾 3.只有当k级队列中的进程全部运行完第k1级队列中的进程才开始分配时间片该调度算法用于进程调度为抢占式调度算法在k级队列中的进程运行时一个新进程的到来会抢占处理机运行运行中的进程会返回该级队列的队尾该调度算法的优缺点优点该调度算法结合了先来先服务FCFS、时间片轮转RR、段进程优先SPF 这三个调度算法的优点 缺点可能会导致饥饿现象上述三种调度算法适用于交互式系统实时操作系统、分时操作系统等四、多级队列调度算法系统中按照进程类型设置多个队列进程建立成功后插入对应的队列队列之间可以采用固定优先级或时间片来进行划分固定优先级高优先级全部调度完之后低优先级进程才被调度 时间片给不同队列分配大小不同的时间片各队列可以采用不同的调度算法例如系统进程队列可以采用优先级调度交互式进程可以采用时间片轮转调度批处理 进程可以采用先来先服务调度五、多处理机调度面临的问题单处理机调度需要考虑哪个就绪进程优先上处理机 多处理机则还需要考虑被调度的进程上哪个处理机针对多处理机的考虑负载均衡让每个cpu同等忙碌 处理机亲和性尽量让一个进程调度到同一个cpu上尽可能发挥cpu中缓存的作用两个解决方案一、公共就绪队列 1.所有cpu共享同一个就绪队列 2.每个cpu调度程序时从公共就绪队列选择一个进程运行 3.每个cpu进行队列访问时需要上锁保证互斥 优点天然保证了负载均衡 缺点cpu亲和力不高进程频繁切换cpu运行 如何解决cpu亲和力不高 1.软亲和由调度程序来保持cpu亲和性 2.硬亲和由用户进程通过系统调用主动要求将进程分配到固定的cpu 二、私有就绪队列 每个cpu都有一个对应的就绪队列当cpu空闲时从对应的就绪队列选择一个进程运行 优点cpu亲和力高 缺点无法保证负载均衡 如何解决负载均衡 1.推迁移push策略 利用一个特定的系统程序周期性地检查各cpu的负载情况从忙碌的cpu对应的就绪队列中推 一些进程到不忙碌的cpu对应的就绪队列中 2.拉迁移pull策略 每个cpu运行调度程序时各自周期性地检查自己与其他处理机的负载情况如果发现自己 的负载较低会主动从负载高的cpu对应的就绪队列中拉一些进程到自己对应的就绪队列