【操作系统】——调度算法

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目录

先来先服务（FCFS, First Come First Serve)

短作业优先（SJF, Shortest Job First )

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

时间片轮转（RR, Round-Robin）

优先级调度算法

多级反馈队列调度算法

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先来先服务（FCFS, First Come First Serve)

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）
算法规则——按照作业/进程到达的先后顺序进行服务
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
是否可抢占？——非抢占式的算法
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（Eg：排队买奶茶..）
是否会导致饥饿（某进程/作业长期得不到服务）——不会

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。使用先来先服务调度算法，计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间。

先来先服务调度算法：按照到达的先后顺序调度，事实上就是等待时间越久的越优先得到服务。
因此，调度顺序为：P1-> P2-> P3-> P4

周转时间=完成时间-到达时间      P1=7-0=7; P2=11-2=9; P3=12-4=8; P4=16-5=11
带权周转时间=周转时间/运行时间   P1=7/7=1; P2=9/4=2.25; P3=8/1=8; P4=11/4=2.75
等待时间=周转时间-运行时间   P1=7-7=0;P2=9-4=5；P3=8-1=7;P4=11-4=7
平均周转时间  = (7+9+8+11)/4=8.75
平均带权周转时间  = (1+2.25+8+2.75)/4=3.5
平均等待时间  = (0+5+7+7)/4=4.75
注意：本例中的进程都是纯计算型的进程，一个进程到达后要么在等待，要么在运行。如果是又有计算、又有1/O操作的进程，其等待时间就是周转时间-运行时间-1/O操作的时间.

短作业优先（SJF, Shortest Job First )

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。
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）。
用于作业/进程调度——即可用于作业调度，也可用于进程调度。用于进程调度时称力“短进程优先（SPF, Shortest Process First）算法”。
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一一最短剩余时间优先算法（SRTN, Shortest Remaining Time Next）
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。
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”。

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。使用抢占式的短作业优先调度算法，计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间。

抢占式 : 抢占式的短作业优先算法又称“最短剩余时间优先算法（SRTN）”。

最短剩余时间优先算法：每当有进程加入就绪队列改变时就需要调度，如果新到达的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短，则由新进程抢占处理机，当前运行进程重新回到就绪队列。另外，当一个进程完成时也需要调度。

周转时间=完成时间-到达时间   P1=16-0=16: P2=7-2=5: P3=5-4=1;P4=11-5=6
带权周转时间=周转时间/运行时间   P1=16/7=2.28; P2=5/4=1.25; P3=1/1=1; P4=6/4=1.5
等待时间=周转时间-运行时间  P1=16-7=9; P2=5-4=1; P3=1-1=0; P4=6-4=2

平均周转时间=（16+5+1+6）/4=7
平均带权周转时间 =（2.28+1.25+1+1.5）/4=1.50
平均等待时间=（9+1+0+2）/4=3

对比非抢占式的短作业优先算法，显然抢占式的这几个指标又要更低！

思考：（对FCFS和SJF两种算法的思考）
FCFS 算法是在每次调度的时候选择一个等待时间最长的作业（进程）为其服务。但是没有考虑到作业的运行时间，因此导致了对短作业不友好的问题。
SJF 算法是选择一个执行时间最短的作业为其服务。但是又完全不考虑各个作业的等待时间，因此导致了对长作业不友好的问题，甚至还会造成饥饿问题。
能不能设计一个算法，即考虑到各个作业的等待时间，也能兼顾运行时间呢？

于是就提出了高响应比优先算法

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

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
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
用于作业/进程调度——即可用于作业调度，也可用于进程调度

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。

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
响应比=（等待时间+要求服务时间）/ 要求服务时间
（响应比≥1）

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。使用高响应比优先调度算法，计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间。

高响应比优先算法：非抢占式的调度算法，只有当前运行的进程主动放弃CPU时（正常/异常完成，或主动阻塞），才需要进行调度，调度时计算所有就绪进程的响应比，选响应比最高的进程上处理机。

对比：

注：这几种算法主要关心对用户的公平性、平均周转时间、平均等待时间等评价系统整体性能的指标，但是不关心“响应时间”，也并不区分任务的紧急程度，因此对于用户来说，交互性很糟糕。因此这三种算法一般适合用于早期的批处理系统，当然，FCFS算法也常结合其他的算法使用，在现在也扮演着很重要的角色。

时间片轮转（RR, Round-Robin）

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。
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）
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。

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。
是否会导致饥饿——不会

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 （常用于分时操作系统，更注重“响应时间”，因而此处不计算周转时）调度算法，分析时间片大小分别是2、5时的进程运行情况。

时间片轮转调度算法：轮流让就绪队列中的进程依次执行一个时间片（每次选择的都是排在就绪队列队头的进程）

时间片大小为2（注：以下括号内表示当前时刻就绪队列中的进程、进程的剩余运行时间）
0时刻（P1（5））：0时刻只有P1到达就绪队列，让P1上处理机运行一个时间片
2时刻（P2（4）-> P1（3））：2时刻P2到达就绪队列，P1运行完一个时间片，被剥夺处理机，重新放到队尾。
此时P2排在队头，因此让P2上处理机。（注意：2时刻，P1下处理机，同一时刻新进程P2到达.
4时刻（P1（3）→P3（1）→ P2（2））：4时刻，P3到达，先插到就绪队尾，紧接着，P2下处理机也插到队尾。
5时刻（P3（1） P2（2） P4（6））：5时刻，P4到达插到就绪队尾（注意：由于P1的时间片还没用完，因此暂时不调度。另外，此时P1处于运行态，并不在就绪队列中）

6时刻 （P3（1）-> P2（2）-> P4（6）-> P1（1））：6时刻，P1时间片用完，下处理机，重新放回就绪队尾，发生调度
7时刻（P2（2）-> P4（6）-> P1（1））：虽然P3的时间片没用完，但是由于P3只需运行1个单位的时间，运行完了会主动放弃处理机，因此也会发生调度。队头进程P2上处理机。
9时刻（P4（6）-> P1（1））：进程P2时间片用完，并刚好运行完，发生调度，P4上处理机
11时刻（P1（1）-> P4（4））：P4时间片用完，重新回到就绪队列。P1上处理机

12时刻（P4（4））：P1运行完，主动放弃处理机，此时就绪队列中只剩P4，P4上处理机
14时刻（）：就绪队列为空，因此让P4接着运行一个时间片。
16时刻：所有进程运行结束

时间片大小为5
0时刻 （P1（5））：只有P1到达，P1上处理机。
2时刻（P2（4））：P2到达，但P1时间片尚未结束，因此暂不调度。
4时刻（P2（4）-> P3（1））：P3到达，但P1时间片尚未结束，因此暂不调度
5时刻（P2（4）→P3（1）→P4（6））：P4到达，同时P1运行结束。发生调度，P2上处理机。
9时刻（P3（1）-> P4（6））：P2运行结束，虽然时间片没用完，但是会主动放弃处理机。发生调度。
10时刻（P4（6））：P3运行结束，虽然时间片没用完，但是会主动放弃处理机。发生调度。
15时刻（）：P4时间片用完，但就绪队列为空，因此会让P4继续执行一个时间片。
16时刻（）：P4运行完，主动放弃处理机。所有进程运行完

若按照先来先服务调度算法...

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。

优先级调度算法

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

算法规则——调度时选择优先级最高的作业/进程
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
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。

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

是否会导致饥饿——会

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）

非抢占式的优先级调度算法：每次调度时选择当前已到达且优先级最高的进程。当前进程主动放弃处理机时发生调度

注：以下括号内表示当前处于就绪队列的进程
0时刻（P1）：只有P1到达，P1上处理机。
7时刻（P2、P3、P4）：P1运行完成主动放弃处理机，其余进程都已到达，P3优先级最高，P3上处理机。
8时刻（P2、P4）：P3完成，P2、P4优先级相同，由于P2先到达，因此P2优先上处理机
12时刻（P4）：P2完成，就绪队列只剩P4，P4上处理机。
16时刻（）：P4完成，所有进程都结束

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）

抢占式的优先级调度算法：每次调度时选择当前己到达且优先级最高的进程。当前进程主动放弃处理机时发生调度。
另外，当就绪队列发生改变时也需要检查是会发生抢占

注：以下括号内表示当前处于就绪队列的进程
0时刻（P1）：只有P1到达，P1上处理机。
2时刻（P2）：P2到达就绪队列，优先级比P1更高，发生抢占。P1回到就绪队列，P2上处理机。
4时刻（P1、P3）：P3到达，优先级比P2更高，P2回到就绪队列，P3抢占处理机。
5时刻（P1、P2、P4）：P3完成，主动释放处理机，同时，P4也到达，由于P2比P4更先进入就绪队列，因此选择P2上处理机
7时刻（P1、P4）：P2完成，就绪队列只剩P1、P4，P4上处理机。
11时刻（P1）：P4完成，P1上处理机

补充：
就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织。另外，也可以把优先级高的进程排在更靠近队头的位置
根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级两种。
静态优先级：创建进程时确定，之后一直不变。
动态优先级：创建进程时有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级。

通常：
系统进程优先级 高于 用户进程
前台进程优先级 高于 后台进程
操作系统更偏好 I/O 型进程（或称I/O 繁忙型进程）

（I/O 繁忙型进程）——I/O设备和CPU可以并行工作。如果优先让I/O繁忙型进程优先运行的话，则越有可能让I/O设备尽早地投入工作，则资源利用率、系统吞吐量都会得到提升。
注：与I/O 型进程相对的是计算型进程（或称 CPU繁忙型进程）

思考…如果采用的是动态优先级，什么时候应该调整？
可以从追求公平、提升资源利用率等角度考虑,如果某进程在就绪队列中等待了很长时间，则可以适当提升其优先级如果某进程占用处理机运行了很长时间，则可适当降低其优先级.

多级反馈队列调度算法

算法思想——对其他调度算法的折中权衡

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。如果此时己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用于进程调度
用于作业/进程调度——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。
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、1/0密集型进程（拓展：可以将因1/0而阻塞的进程重新放回原队列，这样1/O型进程就可以保持较高优先级）
是否会导致饥饿——会

注：比起早期的批处理操作系统来说，由于计算规造价大幅降低，因此之后出现的交互式操作系统（包括分时操作系统、实时操作系统等）更注重系统的响应时间、公平性、平衡性等指标。而这几种算法恰好也能较好地满足交互式系统的需求。因此这三种算法适合用于交互式系统。（比如UNIX使用的就是多级反馈队列调度算法）

系统中按进程类型设置多个队列，进程创建成功后插入某个队列。

队列之间可采取固定优先级，或时间片划分固定优先级：高优先级空时低优先级进程才能被调度时间片划分：如三个队列分配时间50%、40%、10%.

各队列可采用不同的调度策略，如：系统进程队列采用优先级调度交互式队列采用RR，批处理队列采用FCFS。