【操作系统】CPU调度
目录
1.什么叫调度
2.调度的目标
3.进程调度方式
4.闲逛进程
5.典型的调度算法
5.1先来先服务(FCFS)调度算法
5.2短作业优先(SJF) 调度算法
5.3优先级调度算法
5.4高响应比优先调度算法
5.5时间片轮转调度算法
5.6多级队列调度算法
5.7多级反馈队列调度算法(融合了前几种算法的优点)
1.什么叫调度
在多道程序系统中，进程的数量往往多于处理机的个数，因此进程争用处理机的情况在所难免。处理机调度是对处理机进行分配，即从就绪队列中按照一定的算法(公平、高效的原则)选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程并发地执行。
处理机调度是多道程序操作系统的基础，是操作系统设计的核心问题。
2.调度的目标
不同的调度算法具有不同的特性，在选择调度算法时，必须考虑算法的特性。为了比较处理机调度算法的性能，人们提出了很多评价标准，下面介绍其中主要的几种:
1)CPU 利用率。CPU 是计算机系统中最重要和昂贵的资源之一，所以应尽可能使 CPU 保持“忙”状态，使这一资源利用率最高。CPU 利用率的计算方法如下:
2)系统吞吐量。表示单位时间内 CPU 完成作业的数量。长作业需要消耗较长的处理机时间因此会降低系统的吞吐量。而对于短作业，需要消耗的处理机时间较短，因此能提高系统的吞吐量。调度算法和方式的不同，也会对系统的吞吐量产生较大的影响。
3)周转时间。指从作业提交到作业完成所经历的时间，是作业等待、在就绪队列中排队在处理机上运行及输入/输出操作所花费时间的总和。周转时间的计算方法如下:
周转时间 = 作业完成时间-作业提交时间
平均周转时间是指多个作业周转时间的平均值:
平均周转时间=(作业1的周转时间 +...+ 作业n的周转时间)/n
带权周转时间是指作业周转时间与作业实际运行时间的比值:
平均带权周转时间是指多个作业带权周转时间的平均值:
平均带权周转时间 =(作业1的带权周转时间 +...+ 作业n 的带权周转时间)/n
4)等待时间。指进程处于等处理机的时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。处理机调度算法实际上并不影响作业执行或输入/输出操作的时间，只影响作业在就绪队列中等待所花的时间。因此，衡量一个调度算法的优劣，常常只需简单地考察等待时间。
5)响应时间。指从用户提交请求到系统首次产生响应所用的时间。在交互式系统中，周转时间不是最好的评价准则，一般采用响应时间作为衡量调度算法的重要准则之一。从用户角度来看，调度策略应尽量降低响应时间，使响应时间处在用户能接受的范围之内。
3.进程调度方式
所谓进程调度方式，是指当某个进程正在处理机上执行时，若有某个更为重要或紧迫的进程需要处理，即有优先权更高的进程进入就绪队列，此时应如何分配处理机。通常有以下两种进程调度方式:
1)非抢占调度方式，又称非剥夺方式。是指当一个进程正在处理机上执行时，即使有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，仍然让正在执行的进程继续执行，直到该进程运行完成或发生某种事件而进入阻塞态时，才把处理机分配给其他进程。非抢占调度方式的优点是实现简单、系统开销小，适用于大多数的批处理系统，但它不能用于分时系统和大多数的实时系统。
2)抢占调度方式，又称剥夺方式。是指当一个进程正在处理机上执行时，若有某个更为重要或紧迫的进程需要使用处理机，则允许调度程序根据某种原则去暂停正在执行的进程将处理机分配给这个更为重要或紧迫的进程。
抢占调度方式对提高系统吞吐率和响应效率都有明显的好处。但“抢占”不是一种任意性行为，必须遵循一定的原则，主要有优先权、短进程优先和时间片原则等。
4.闲逛进程
在进程切换时，如果系统中没有就绪进程，就会调度闲逛进程 (idle)运行，如果没有其他进程就绪，该进程就一直运行，并在执行过程中测试中断。闲逛进程的优先级最低，没有就绪进程时才会运行闲逛进程，只要有进程就绪，就会立即让出处理机。
闲逛进程不需要 CPU 之外的资源，它不会被阻塞。
5.典型的调度算法
5.1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，直到运行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是多少？
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 IO 繁忙型作业。
5.2短作业优先(SJF) 调度算法
短作业(进程)优先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，将处理机分配给它，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。
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是多少？
SJF 度算法也存在不容忽视的缺点:
1)该算法对长作业不利，SJF 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(即使是后来的)短作业，将导致长作业长期不被调度。
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，
注：SJF 调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少。
5.3优先级调度算法
优先级调度算法既可用于作业调度，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)非抢占式优先级调度算法。当一个进程正在处理机上运行时，即使有某个优先级更高的进程进入就绪队列，仍让正在运行的进程继续运行，直到由于其自身的原因而让出处理机时(任务完成或等待事件)，才把处理机分配给就绪队列中优先级最高的进程。
2)抢占式优先级调度算法。当一个进程正在处理机上运行时，若有某个优先级更高的进程进入就绪队列，则立即暂停正在运行的进程，将处理机分配给优先级更高的进程。
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
5.4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：
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，因而类似于 SJF
- 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，因而类似于 FCFS。
对于长作业，作业的响应比可以随等待时间的增加而提高当其等待时间足够长时，也可获得处理机，克服了“饥饿”现象。
5.5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 FCFS 策略排成一个就绪队列，调度程序总是选择就绪队列中的第一个进程执行，但仅能运行一个时间片如50ms。在使用完一个时间片后，即使进程并未运行完成，它也必须释放出（被剥夺)处理机给下一个就绪进程，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和系统的处理能力。
5.6多级队列调度算法
前述的各种调度算法，由于系统中仅设置一个进程的就绪队列，即调度算法是固定且单一的无法满足系统中不同用户对进程调度策略的不同要求。在多处理机系统中，这种单一调度策略实现机制的缺点更为突出，多级队列调度算法能在一定程度上弥补这一缺点。
该算法在系统中设置多个就绪队列，将不同类型或性质的进程固定分配到不同的就绪队列。每个队列可实施不同的调度算法，因此，系统针对不同用户进程的需求，很容易提供多种调度策略。同一队列中的进程可以设置不同的优先级，不同的队列本身也可以设置不同的优先级。在多处理机系统中，可以很方便为每个处理机设置一个单独的就绪队列，每个处理机可实施各自不同的调度策略，这样就能根据用户需求将多个线程分配到一个或多个处理机上运行。
5.7多级反馈队列调度算法(融合了前几种算法的优点)
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。
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，并为每个队列赋予不同的优先级。第 1 级队列的优先级最高，第 2级队列的优先级次之，其余队列的优先级逐个降低。
2)赋予各个队列的进程运行时间片的大小各不相同。在优先级越高的队列中，每个进程的时间片就越小。例如，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)每个队列都采用FCFS 算法。当新进程进入内存后，首先将它放入第1级队列的尾，按FCFS 原则等待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可撤离系统若它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序将其转入第 2 级队列的末尾等待调度;若它在第2级队列中运行一个时间片后仍未完成，再将它放入第3 级队列·····，依此类推。当进程最后被降到第n 级列后，在第n级队列中便采用时间片轮转方式运行
4)按队列优先级调度。仅当第1级队列为空时才调度第2队列中的进程运行，仅当第i-1级队列均为空时，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级队列中的某进程时，又有新进程进入任一优先级较高的队列，此时须立即把正在运行的进程放回到第i级队列的末尾，而把处理机分配给新到的高优先级进程。
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
下表总结了几种常见进程调度算法的特点：
