操作系统：进程调度算法

目录

1 先来先服务（FCFS）调度算法

2 短作业优先（SJF）调度算法

3 优先级调度算法

4 高响应比优先调度算法

5 时间片轮转调度算法

6 多级反馈队列调度算法（融合了前几种算法优点）

7 总结

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1 先来先服务（FCFS）调度算法

FCFS调度算法是一种最简单的调度算法，它既可用于作业调度，又可用于进程调度。在作业调度中，算法每次从后备作业队列中选择最先进入该队列的一个或几个作业，将它们调入内存，分配必要的资源，创建进程并放入就绪队列。

在进程调度中，FCFS调度算法每次从就绪队列中选择最先进入该队列的进程，将处理机分配给它，使之投入运行，直到完成或因某种原因而阻塞时才释放处理机。

下面通过一个实例来说明FCFS调度算法的性能。假设系统中有4个作业，它们的提交时间分别是8，8.4，8.8，9，运行时间依次是2，1，0.5，0.2，系统采用FCFS调度算法，这组作业的平均等待时间、平均周转时间和平均带权周转时间见下表。

作业号	提交时间	运行时间	开始时间	等待时间	完成时间	周转时间	带权周转时间
1	8	2	8	0	10	2	1
2	8.4	1	10	1.6	11	2.6	2.6
3	8.8	0.5	11	2.2	11.5	2.7	5.4
4	9	0.2	11.5	2.5	11.7	2.7	13.5
平均等将时间：=(0+1.6+2.2+2.5)/4=1.575
平均周转时间：T=(2+2.6+2.7+2.7)/4=2.5
平均带权周转时间：W=(1+2.6+5.4+13.5)/4= 5.62

 

FCFS调度算法属于不可剥夺算法。从表面上看，它对所有作业都是公平的，但若一个长作业先到达系统，就会使后面的许多短作业等待很长时间，因此它不能作为分时系统和实时系统的主要调度策略。但它常被结合在其他调度策略中使用。例如，在使用优先级作为调度策略的系统中，往往对多个具有相同优先级的进程按FCFS原则处理。

FCFS调度算法的特点是算法简单，但效率低，对长作业比较有利，但对短作业不利(相对SJF和高响应比) ；有利于CPU繁忙型作业，而不利于I/0繁忙型作业。

2 短作业优先（SJF）调度算法

短作业(进程)优先调度算法是指对短作业(进程)优先调度的算法。

短作业优先(SJF)调度算法从后备队列中选择一个或若干估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运行;短进程优先(SPF)调度算法从就绪队列中选择一个估计运行时间最短的进程，格处理机分配给它，使之立即执行，直到完成或发生某事件而阻塞时，才释放处理机。

下面通过一个实例来说明SJF调度算法的性能。假设系统中有4个作业，它们的提交时间分别是8，8.4，8.8，9，运行时间依次是2，1，0.5，0.2，系统采用SJF调度算法，这组作业的平均等待时间、平均周转时间和平均带权周转时间见下表：

作业号	提交时间	运行时间	开始时间	等待时间	完成时间	周转时间	带权周转时间
1	8	2	8	0	10	2	1
2	8.4	1	10.7	2.3	11.7	3.3	3.3
3	8.8	0.5	10.2	1.4	10.7	1.9	3.8
4	9	0.2	10	1	10.2	1.2	6
平均等将时间：=(0+2.3+1.4+1)/4=1.175
平均周转时间：T=(2+3.3+1.9+1.2)/4=2.1
平均带权周转时间：W=(1+3.3+3.8+ 6)/4=3.525

SJF调度算法也存在不容忽视的缺点：

1. 该算法对长作业不利，由上面的表可知，SJF调度算法中长作业的周转时间会增加。更严重的是，若有一长作业进入系统的后备队列，由于调度程序总是优先调度那些(即使是后进来的)短作业，将导致长作业长期不被调度(“饥饿”现象。注意区分“死锁”。后者是系统环形等待，前者是调度策略问题)。
2. 该算法完全未考虑作业的紧迫程度，因而不能保证紧迫性作业会被及时处理。
3. 由于作业的长短只是根据用户所提供的估计执行时间而定的，而用户又可能会有意或无意地缩短其作业的估计运行时间，致使该算法不一定能真正做到短作业优先调度。

注意，SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少。

3 优先级调度算法

优先级调度算法又称优先权调度算法，它既可用于作业调度，又可用于进程调度。该算法中的优先级用于描述作业运行的紧迫程度。

在作业调度中，优先级调度算法每次从后备作业队列中选择优先级最高的一个或几个作业，将它们调入内存，分配必要的资源，创建进程并放入就绪队列。在进程调度中，优先级调度算法每次从就绪队列中选择优先级最高的进程，将处理机分配给它，使之投入运行。

根据新的更高优先级进程能否抢占正在执行的进程，可将该调度算法分为如下两种:

1. 非制夺式优先级调度算法。当一个进程正在处理机上运行时，即使有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，仍然让正在运行的进程继续运行，直到由于其自身的原因而主动让出处理机时(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。
2. 剥夺式优先级调度算法。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。

而根据进程创建后其优先级是否可以改变，可以将进程优先级分为以下两种：

1. 静态优先级。优先级是在创建进程时确定的，且在进程的整个运行期间保持不变。确定静态优先级的主要依据有进程类型、进程对资源的要求、用户要求。
2. 动态优先级。在进程运行过程中，根据进程情况的变化动态调整优先级。动态调整优先级的主要依据有进程占有CPU时间的长短、就绪进程等待CPU时间的长短。

一般来说，进程优先级的设置可以参照以下原则：

• 系统进程>用户进程。系统进程作为系统的管理者，理应拥有更高的优先级。
• 交互型进程>非交互型进程(或前台进程>后台进程) 。大家平时在使用手机时，在前台运行的正在和你交互的进程应该更快速地响应你，因此自然需要被优先处理，即要有更高的优先级。
• I/O型进程>计算型进程。所谓I/O型进程，是指那些会频繁使用I/O设备的进程，而计算型进程是那些频繁使用CPU的进程(很少使用I/O设备)。我们知道，IO设备(如打印机)的处理速度要比CPU慢得多，因此若将I/O型进程的优先级设置得更高，就更有可能让I/O设备尽早开始工作，进而提升系统的整体效率。

4 高响应比优先调度算法

高响应比优先调度算法主要用于作业调度，是对FCFS调度算法和SJF调度算法的一种综合平衡，同时考虑了每个作业的等待时间和估计的运行时间。

在每次进行作业调度时，先计算后备作业队列中每个作业的响应比，从中选出响应比最高的作业投入运行。

响应比的变化规律可描述为：

响应比 = (等待时间+要求服务时间) / 要求服务时间

根据公式可知：

• 作业的等待时间相同时，要求服务时间越短。响应比越高，有利于短作业。
• 要求服务时间相同时，作业的响应比由其等待时间决定，等待时间越长，其响应比越高，因而它实现的是先来先服务。
• 对于长作业，作业的响应比可以随等待时间的增加而提高，等待时间足够长时，其响应比便可升到很高，从而也可获得处理机。因此，克服了饥饿状态，兼顾了长作业。

5 时间片轮转调度算法

时间片轮转调度算法主要适用于分时系统。

在这种算法中，系统将所有就绪进程按到达时间的先后次序排成一个队列，进程调度程序总是选择就绪队列中的第一个进程执行，即先来先服务的原则，但仅能运行一个时间片，如100ms。

在使用完一个时间片后，即使进程并未完成其运行，它也必须释放出(被剥夺)处理机给下一个就绪的进程，而被剥夺的进程返回到就绪队列的末尾重新排队，等候再次运行。

在时间片轮转调度算法中，时间片的大小对系统性能的影响很大。若时间片足够大，以至于所有进程都能在一个时间片内执行完毕，则时间片轮转调度算法就退化为先来先服务调度算法。若时间片很小，则处理机将在进程间过于频繁地切换，使处理机的开销增大，而真正用于运行用户进程的时间将减少。因此，时间片的大小应选择适当。

时间片的长短通常由以下因素确定：

• 系统的响应时间
• 就绪队列中的进程数目
• 系统的处理能力

6 多级反馈队列调度算法（融合了前几种算法优点）

多级反馈队列调度算法是时间片轮转调度算法和优先级调度算法的综合与发展，如图所示。

通过动态调整进程优先级和时间片大小，多级反馈队列调度算法可以兼顾多方面的系统目标。

例如，为提高系统吞吐量和缩短平均周转时间而照顾短进程；为获得较好的IO设备利用率和缩短响应时间而照顾I/O型进程；同时，也不必事先估计进程的执行时间。

多级反馈队列调度算法的实现思想如下：

1. 设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级，第1级队列的优先级最高，第2级队列次之，其余队列的优先级逐次降低。
2. 赋予各个队列中进程执行时间片的大小各不相同。在优先级越高的队列中，每个进程的运行时间片越小。例如，第2级队列的时间片要比第1级队列的时间片长1倍...第i+1级队列的时间片要比第i级队列的时间片长1倍。
3. 一个新进程进入内存后，首先将它放入第1级队列的末尾，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；若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2级队列的末尾，再同样按FCFS原则等待调度执行；若它在第2级队列中运行一个时间片后仍未完成，再以同样的方法放入第3级队列...如此下去，当一个长进程从第1级队列依次降到第n级队列后，在第n级队列中便采用时间片轮转的方式运行。
4. 仅当第1级队列为空时，调度程序才调度第2级队列中的进程运行；仅当第1~(i-1)队列均为空时，才会调度第i级队列中的进程运行。若处理机正在执行第i级队列中的某进程，这时又有新进程进入优先级较高的队列[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第i级队列的末尾，把处理机分配给新到的更高优先级的进程。

多级反馈队列的优势有以下几点：

1. 终端型作业用户：短作业优先。
2. 短批处理作业用户：周转时间较短。
3. 长批处理作业用户：经过前面几个队列得到部分执行，不会长期得不到处理。

7 总结

先来先服务算法和短作业优先算法无法保证及时地接收和处理问题，因此无法保证在规定的时间间隔内响应每个用户的需求，也同样无法达到实时操作系统的及时性需求。

优先级调度算法按照任务的优先级进行调度，对于更紧急的任务给予更高的优先级，适合实时操作系统。

高响应比优先调度算法、时间片轮转调度算法、多级反馈队列调度算法都能保证每个任务在一定时间内分配到时间片，并轮流占用CPU，适合分时操作系统。

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参阅：王道操作系统

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