【操作系统】几种常用调度算法

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相关时间计算
周转时间 = 作业完成时刻 - 作业到达时刻
等待时间 = 周转时间 - 运行时间
带权周转时间 = 周转时间 / 服务时间
平均周转时间 = 作业周转时间之和 / 作业个数
平均带权周转时间 = 带权周转时间之和 / 作业个数
服务时间：作业的运行时间

调度&分配
1、调度：
调度实现进程/线程选择算法，选中者获得处理器。
2、分配：
分派实现处理器的分配和绑定工作，将处理器分配给被选中的进程或线程，处理进程或线程上下文交换细节。

剥夺式（抢占式）& 非剥夺式（非抢占式）
1、剥夺式（抢占式）优先级调度算法。当一个进程正在处理机上运行时，若有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，则立即暂停正在运行的进程，将处理机分配给更重要或紧迫的进程。
2、非剥夺式（非抢占式）优先级调度算法。当一个进程正在处理上运行时，即使有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，仍然让正在进行的进程继续运行，直到由于其自身原因而主动让出处理机（任务完成或等待事件），才把处理机分配给更为重要或紧迫的进程。

一、先来先服务调度算法（FCFS）

First Come First Service

• 算法思想：主要从“公平”的角度考虑，先到先服务。
• 算法规则：先进入系统的作业/进程优先被挑选。
• 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
• 优点：公平、算法实现简单。
• 缺点：对长作业有利，对短作业不利。
  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。
• 是否导致饥饿：不会

二、短作业优先调度算法（SJF）

Short 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：
  用于作业调度时，称为“短作业优先算法”Short Job First（SJF）；
  用于进程调度时，称为“短进程优先算法”Short Process First（SPF）。
• 是否可抢占：
  最短作业优先算法（SJF）和短进程优先算法（SPF）是非抢占式；
  最短剩余时间优先算法（SRTF）是抢占式。
• 优点：“最短的”平均时间、平均周转时间。
• 缺点：不公平。对短作业有利，对长作业不利。
  作业/进程的运行时间是由用户提供，并不一定真实，不一定能做到真正的短作业优先。
• 是否导致饥饿：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”。

最短作业优先调度算法（SJF）

Shortest Job First

• 算法规则：每次调度时选择当前已到达且运行时间最短的作业/进程。
• 是否可抢占：非抢占式
• 优点：对比先来先服务算法，最短作业优先算法的平均等待时间、平均周转时间、平均带权周转时间都更低。

最短剩余时间优先调度算法（SRTF）

Shortest Remaining Time First

• 算法规则：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。
• 是否可抢占：抢占式
• 优点：对比非抢占式的短作业优先算法，抢占式的短作业优先算法的平均等待时间、平均周转时间、平均带权周转时间都更低。

三、响应比最高者优先调度算法（HRRF）

Highest Response Ratio First

• 算法思想：选择等待时间和要求服务时间都较短的作业/进程优先调度。
• 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。

响应比
= 响应时间/要求服务时间
= （等待时间+要求服务时间）/ 要求服务时间
= 1 + 等待时间/作业处理时间
（作业要求服务时间由用户给出，是一个常量 ）

• 用于作业 / 进程调度：可用于作业调度，也可用于进程调度。
• 是否可抢占：非抢占式
  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。
• 优点：上述两种算法的权衡折中。既照顾了短作业，又考虑了作业到达的先后次序，又不会使长作业长期得不到服务。
  等待时间相同时，要求服务时间短的优先（SJF的优先，对短作业有利）
  要求服务时间相同时，等待时间长的优先（FCFS的优点）
  随着等待时间越来越长，其响应比也会越来越大，从而避免了长作业饥饿的问题（长作业有利）
• 缺点：要进行响应比计算，增加了系统开销。
• 是否导致饥饿：不会

总结：这三种算法只根据公平、平均等待时间、平均周转时间、平均带权周转时间等来评价系统的整体性能指标，但不关心需要时间和任务的紧急程度，对于用户来说，交互性很差。因此这三种算法只适用于早期的批处理系统。

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四、时间片轮转调度算法（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。
  调度程序每次把CPU分配给就绪队列首进程/线程使用一个时间间隔（称为时间片），就绪队列中的每个进程/线程轮流运行一个时间片。

• 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（每次选择的都是排在就绪队列队头的进程）。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。
  时间片的选取：时间片大小的确定要从进程个数、切换开销、系统效率和响应时间等方面考虑。
  常用轮转法：
  ① 最常用的轮转法是等时间片轮转法，每个进程轮流运行相同时间片。
  ② 改进的轮转法对于不同的进程分配不同的时间片，时间片的长短可以动态修改。

• 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：抢占式
  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。
  当一个进程开始运行时，将时间片的值置入间隔时钟内，当发生间隔时钟中断时，中断处理程序就通知处理器调度程序切换处理器。
• 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；不区分任务的紧急性。
• 是否导致饥饿：不会

时间片太大或太小
① 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，并且会增大进程的响应时间。
② 如果时间片太小，进程调度、切换是有时间代价的，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小。

五、优先级调度算法（PSA）

Priority Scheduling Algorithm

• 算法思想：根据任务的紧急程度来决定处理顺序。
• 算法规则：根据确定的优先级选取进程/线程，每次总是选择就绪队列中优先级最高者运行。
  用户进程/线程优先级的规定者有两种：
  ① 用户：用户自己提出优先级，称为外部指定法。优先级越高，费用越高。
  ② 系统：由系统综合考虑有关因素来确定用户进程/线程的优先级，称为内部指定法。
  进程/线程优先级的确定方式：
  根据优先级是否随时间而变，进程/线程优先级的确定有静态和动态两种方式：
  ① 静态优先级：在进程/线程创建时确定，此后不再改变。优先级主要由进程类型、资源需求、时间需求和用户需求决定。
  优点：比较简单，开销小。
  缺点：不够公平不太灵活，可能出现优先级低的作业/进程长时间得不到调度的情况。
  ② 动态优先级：随时间而变，基本原则是：
  a. 正在运行的进程/线程随着占有CPU时间的增加优先级逐渐降低；
  b. 就绪队列中等待CPU的进程/线程随着等待时间增加优先级逐渐提高。
  优点：公平性好，灵活，资源利用率高。
  缺点：需要花费比较多的执行程序时间，因而花费的系统开销比较大。

• 用于作业 / 进程调度：既可以用于作业调度，也可以用于进程调度。
• 是否可抢占：抢占式，非抢占式都有。
  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，检查是否发生抢占。
• 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。
• 是否导致饥饿：会
  若源源不断地有高优先级进程到来，则可能导致饥饿。

六、多级反馈队列调度算法 (MLFQ)

Multi-Level Feedback Queue

• 算法思想：对其他调度算法的折中权衡。
• 算法规则：
  1、建立多级就绪进程队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大。每个队列赋予不同优先级，较高优先级队列一般分配给较短的时间片。
  2、新进程到达时先进入第1级队列，按先来先服务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；若此时已经在最下级的队列，则重新放回该队列队尾。
  3、处理器调度每次先从高优先级就绪队列中选取可占有处理器的进程，只有在选不到时，才从较低优先级就绪队列中选取进程。即只有第k级队列为空时，才会为k+1级队头的进程分配时间片。

• 用于作业 / 进程调度：用于进程调度
• 是否可抢占：抢占式
  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。
• 优点：对其他调度算法的折中权衡。
  对各类进程相对公平（FCFS的优点）；
  短进程只用较少的世界就可完成（SPF的优点）；
  每个新到达的进程都可以很快得到响应（RR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、I/O密集型进程（拓展：可以将因I/O而阻塞的进程重新放回原队列，这样I/O型进程就可以保持较高优先级）。
• 缺点：可能会导致饥饿
• 是否导致饥饿：会

总结：比起早期的批处理操作系统来说，由于计算机造价大幅降低，因此之后出现的交互式操作系统（包括分时操作系统和实时操作系统）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。因此这三种算法适用于交互式系统。

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