操作系统进程调度算法

基本的操作系统进程调度算法包括先来先服务（first come first serve），时间片轮转（round robin），多级反馈轮转法（round robin with multiple feedback），优先级法（静态优先级法/动态优先级法），短作业优先法（shortest job first），最高响应比优先法（highest response_ratio next）。

一、先来先服务

先来先服务(FCFS)调度算法是一种最简单的调度算法，该算法既可用于作业调度，也可用于进程调度。当在作业调度中采用该算法时，每次调度都是从后备作业队列中选择一个或多个最先进入该队列的作业，将它们调入内存，为它们分配资源、创建进程，然后放入就绪队列。在进程调度中采用FCFS算法时，则每次调度是从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程，为之分配处理机，使之投入运行。该进程一直运行到完成或发生某事件而阻塞后才放弃处理机。

来看一个例子，假设有三个进程和它们各自执行时间（以毫秒为单位）如下表：

那么如果三个进程按照P1, P2, P3的顺序启动的话，按照先到先服务的调度算法，执行过程如下：

平均等待时间就是(0 + 24 + 27) / 3 = 17毫秒。FCFS算法是非抢占式的，一旦内核将CPU分配给一个进程就不会被释放了，除非进程结束或者请求I/O阻塞。这也是我们之前学习的多任务系统的特点。

二、轮转法

这是一种基于时钟的抢占策略，以一个周期性间隔产生时钟中断，当中断发生时，当前正在运行的进程被置于就绪队列中，然后基于FCFS策略选择下一个就绪作业的运行。这种技术也称时间片，因为每个进程在被抢占前都给定一片时间。

来看下面的例子，假设一个时间片的长度为4毫秒：

三、最短进程

该算法从就绪队列中选出下一个“CPU执行期最短”的进程，为之分配处理机。

最短作业优先调度是优先级调度的特例。在优先级调度中我们根据进程的优先级来进行调度，在最短作业优先调度中我们

根据作业的执行时间长短来调度。

通过下面的例子来看看SJF是怎样调度的。

进程1首先执行了1毫秒，当执行时间更短的进程2进入Ready队列时发生抢占。进程3在进程2执行1毫秒后到来，但是进程3的

执行时间比进程2长。同理进程4的到来也没法抢占进程2，所以进程2可以一直执行到结束。之后是执行时间第二短的进程4

执行，最后是进程1（要看剩余执行时间，还剩7毫秒）和进程3。

 

　　SJF调度是最优的调度，但难点在于如何预测进程的执行时间(Burst Time)。对于批处理系统中的长期调度来说，可以将用户

提交进程时输入的执行时间上限作为依据。但对于短期调度来说，没有办法能够提前得知下一个要被分配CPU的进程的执行

时间长短。我们只能通过历史数据来进行预测，公式如下：

 

 

α可以取0.5，公式前半部分表示最近一次Burst Time，而后半部分表示过去历史平均的Burst Time。

该算法虽可获得较好的调度性能，但难以准确地知道下一个CPU执行期，而只能根据每一个进程的执行历史来预测。

四、最短剩余时间

最短剩余时间（Shortest Remaining Time,SRT）是针对SPN增加了抢占机制的版本。在这种情况下，调度程序总是选择预期剩余时间最短的进程。当一个进程加入就绪队列时，它可能比当前运行的进程具有更短的剩余时间，因此只要新进程就绪，调度程序就可能抢占当前正在运行的进程。像SPN一样，调度程序在执行选择函数时必须有关于处理时间的估计，并且存在长进程饥饿的危险。

五、优先权调度算法

1. 优先权调度算法的类型。为了照顾紧迫性作业，使之进入系统后便获得优先处理，引入了最高优先权优先（FPF）调度算法。 此算法常被用在批处理系统中，作为作业调度算法，也作为多种操作系统中的进程调度，还可以用于实时系统中。当其用于作业调度， 将后备队列中若干个优先权最高的作业装入内存。当其用于进程调度时，把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程，此时， 又可以进一步把该算法分成以下两种：
    1)非抢占式优先权算法
    2)抢占式优先权调度算法（高性能计算机操作系统）
  2. 优先权类型 。对于最高优先权优先调度算法，其核心在于：它是使用静态优先权还是动态优先权， 以及如何确定进程的优先权。 
  3. 高响应比优先调度算法 
    为了弥补短作业优先算法的不足，我们引入动态优先权，使作业的优先等级随着等待时间的增加而以速率a提高。 该优先权变化规律可描述为：优先权=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间；即 =（响应时间）/要求服务时间

根据比率：R=(w+s)/s （R为响应比，w为等待处理的时间，s为预计的服务时间）

如果该进程被立即调用，则R值等于归一化周转时间（周转时间和服务时间的比率）。R最小值为1.0，只有第一个进入系统的进程才能达到该值。

  调度规则为：在当前进程完成或被阻塞时，选择R值最大的就绪进程，它说明了进程的年龄。当偏向短作业时，长进程由于得不到服务，等待时间不断增加，从而增加比值，最终在竞争中胜了短进程。

 和STR,SPN一样，使用最高响应比（HRRN）策略需要估计预计服务时间。

     采取基于优先级调度算法要考虑进程饿死的问题，因为高优先级的进程总是会被优先调度，具有低优先级的进程可能永远

都不会被内核调度执行。Aging是对于这个问题的一个解决方案，所谓Aging就是指逐渐提高系统中长时间等待的进程的

优先级。比如如果优先级的范围从127到0（127表示最低优先级），那么我们可以每15分钟将等待进程的优先级加1。最终

经过一段时间，即便是拥有最低优先级127的进程也会变成系统中最高优先级的进程，从而被执行。

    优先级调度可以抢占式或者非抢占式的。当一个进程在Ready队列中时，内核将它的优先级与正在CPU上执行的进程的优先级

进行比较。当发现这个新进程的优先级比正在执行的进程高时：对于抢占式内核，新进程会抢占CPU，之前正在执行的进程

转入Ready队列；对于非抢占式内核，新进程只会被放置在Ready队列的头部，不会抢占正在执行的进程。

六、多级反馈队列调度算法

多级反馈队列调度算法，不必事先知道各种进程所需要执行的时间，它是目前被公认的一种较好的进程调度算法。 其实施过程如下：
    1) 设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。在优先权越高的队列中， 为每个进程所规定的执行时间片就越小。
    2) 当一个新进程进入内存后，首先放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等候调度。 如果他能在一个时间片中完成，便可撤离；如果未完成，就转入第二队列的末尾，在同样等待调度…… 如此下去，当一个长作业（进程）从第一队列依次将到第n队列（最后队列）后，便按第n队列时间片轮转运行。
    3) 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到第（i-1）队列空时， 才会调度第i队列中的进程运行，并执行相应的时间片轮转。
    4) 如果处理机正在处理第i队列中某进程，又有新进程进入优先权较高的队列， 则此新队列抢占正在运行的处理机，并把正在运行的进程放在第i队列的队尾。

如果没有关于各进程相对长度的任何信息，则SPN，SRT和HRRN都不能使用。另一种导致偏向短作业的方法是处罚运行时间较长的作业，换句话说，如果不能获得剩余的执行时间，那就关注已经执行了的时间。

  方法为：调度基于抢占原则（按时间片）并且使用动态优先级机制。当一个进程第一次进入系统中时，它被放置在一个优先级队列中，当第一次被抢占后并返回就绪状态时，它被放置在下一个低优先级队列中，在随后的时间里，每当被抢占时，它被降级到下一个低优先级队列中。一个短进程很快会执行完，不会在就绪队列中降很多级，一个长进程会逐渐降级。因此新到的进程和短进程优先于老进程和长进程。在每个队列中，除了在优先级最低的队列中之外，都是用简单的FCFS机制，一旦一个进程处于优先级最低的队列中，它就不可能再降级，但会重复的返回该队列，知道运行结束。因此，该队列可按照轮转方式调度。

七，抢占式调度算法

1. 非抢占式调度算法

为每一个被控对象建立一个实时任务并将它们排列成一轮转队列,调度程序每次选择队列中的第一个任务投入运行.该任务完成后便把它挂在轮转队列的队尾等待下次调度运行.

2. 非抢占式优先调度算法.

实时任务到达时,把他们安排在就绪队列的对首,等待当前任务自我终止或运行完成后才能被调度执行.

3. 抢占式调度算法

1）基于时钟中断的抢占式优先权调度算法.

实时任务到达后,如果该任务的优先级别高于当前任务的优先级并不立即抢占当前任务的处理机,而是等到时钟中断到来时,调度程序才剥夺当前任务的执行,将处理机分配给新到的高优先权任务.

2）立即抢占的优先权调度算法.

在这种调度策略中,要求操作系统具有快速响应外部时间中断的能力.一旦出现外部中断,只要当前任务未处于临界区便立即剥夺当前任务的执行,把处理机分配给请求中断的紧迫任务，实时进程调度，实时进程抢占当前。

各种调度算法的特点