进程调度算法

进程状态

1.相关定义

1.1 进程

进程是一个具有一定独立功能的程序在一个数据集上的一次动态执行的过程，是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位，是应用程序运行的载体。进程是一种抽象的概念，从来没有统一的标准定义。进程一般由程序，数据集合和进程控制块三部分组成。程序用于描述进程要完成的功能，是控制进程执行的指令集；数据集合是程序在执行时所需要的数据和工作区；程序控制块包含进程的描述信息和控制信息是进程存在的唯一标志。

进程具有的特征：

●动态性：进程是程序的一次执行过程，是临时的，有生命期的，是动态产生，动态消亡的； 

●并发性：任何进程都可以同其他进行一起并发执行；

●独立性：进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位；

●结构性：进程由程序，数据和进程控制块三部分组成  

1.2 进程调度

无论是在批处理系统还是分时系统中，用户进程数一般都多于处理机数、这将导致它们互相争夺处理机。另外，系统进程也同样需要使用处理机。这就要求进程调度程序按一定的策略，动态地把处理机分配给处于就绪队列中的某一个进程，以使之执行。

1.3 作业

作业（job）是计算机操作者（或是一个叫做作业调度器的程序）交给操作系统的执行单位。 

2.进程调度算法

进程调度算法：根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法。

2.1 先来先服务（FCFS）

当进程变为就绪态时，该进程就会加入就绪队列。当前正运行的进程停止执行，cpu将会选择在就绪队列中存在时间最长的进程运行。该算法既可以用于作业调度，也可以用于进程调度。先来先去服务比较适合于常作业（进程），而不利于段作业（进程）。

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）；

FCFS调度算法有利于CPU繁忙型作业，而不利于I/O繁忙型作业。

2.2 短作业优先（SJF）

​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)调度算法是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运行。而短进程优先(SPF)调度算法，则是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。

​ 短作业优先调度算法是一个非抢占策略，他的原则是下一次选择预计处理时间最短的进程，因此短进程将会越过长作业，跳至队列头。该算法即可用于作业调度，也可用于进程调度。但是他对长作业不利，不能保证紧迫性作业（进程）被及时处理，作业的长短只是被估算出来的。

缺点：

该算法对长作业不利，SJF调度算法中长作业的周转时间会增加。更严重的是，如果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）。

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。

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。

SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少。

2.3 高响应比优先（HRRN）

高响应比优先调度算法是一种对CPU中央控制器响应比的分配的一种算法。HRRN是介于FCFS（先来先服务算法）与SJF（短作业优先算法）之间的折中算法，既考虑作业等待时间又考虑作业运行时间，既照顾短作业又不使长作业等待时间过长，改进了调度性能。

高响应比优先调度算法既考虑作业的执行时间也考虑作业的等待时间，综合了先来先服务和最短作业优先两种算法的特点。

该算法中的响应比是指作业等待时间与运行比值，响应比公式定义如下：

响应比 =（等待时间+要求服务时间）/ 要求服务时间,即RR=（w+s）/s=1+w/s，因此响应比一定是大于等于1的。

短作业与先后次序的兼顾，且不会使长作业长期得不到服务。

响应比计算系统开销，增加系统开销。

高响应比优先调度算法适合批处理系统，主要用于作业调度。

2.4 时间片轮转调度算法（RR）

2.4.1 轮转调度

时间片轮转（RR）调度算法是专门为分时系统设计的。它类似于先来先服务调度，但是增加了抢占以切换进程。

该算法中，将一个较小时间单元定义为时间量或时间片。时间片的大小通常为 10~100ms。就绪队列作为循环队列。CPU 调度程序循环整个就绪队列，为每个进程分配不超过一个时间片的 CPU。

为了实现 RR 调度，我们将就绪队列视为进程的 FIFO 队列。新进程添加到就绪队列的尾部。CPU 调度程序从就绪队列中选择第一个进程，将定时器设置在一个时间片后中断，最后分派这个进程。

接下来，有两种情况可能发生。进程可能只需少于时间片的 CPU 执行。对于这种情况，进程本身会自动释放 CPU。调度程序接着处理就绪队列的下一个进程。否则，如果当前运行进程的 CPU 执行大于一个时间片，那么定时器会中断，进而中断操作系统。然后，进行上下文切换，再将进程加到就绪队列的尾部，接着 CPU 调度程序会选择就绪队列内的下一个进程。

采用 RR 策略的平均等待时间通常较长。

在 RR 调度算法中，没有进程被连续分配超过一个时间片的 CPU（除非它是唯一可运行的进程）。如果进程的 CPU 执行超过一个时间片，那么该进程会被抢占，并被放回到就绪队列。因此，RR调度算法是抢占的。

2.4.2 多级反馈队列调度（MLFQ）

多级反馈队列调度算法既能使高优先级的作业得到响应又能使短作业（进程）迅速完成。

算法描述

1、进程在进入待调度的队列等待时，首先进入优先级最高的Q1等待。

2、首先调度优先级高的队列中的进程。若高优先级中队列中已没有调度的进程，则调度次优先级队列中的进程。例如：Q1,Q2,Q3三个队列，当且仅当在Q1中没有进程等待时才去调度Q2，同理，只有Q1,Q2都为空时才会去调度Q3。

3、对于同一个队列中的各个进程，按照FCFS分配时间片调度。比如Q1队列的时间片为N，那么Q1中的作业在经历了N个时间片后若还没有完成，则进入Q2队列等待，若Q2的时间片用完后作业还不能完成，一直进入下一级队列，直至完成。

4、在最后一个队列QN中的各个进程，按照时间片轮转分配时间片调度。

5、在低优先级的队列中的进程在运行时，又有新到达的作业，此时须立即把正在运行的进程放回当前队列的队尾，然后把处理机分给高优先级进程。换而言之，任何时刻，只有当第1~i-1队列全部为空时，才会去执行第i队列的进程（抢占式）。特别说明，当再度运行到当前队列的该进程时，仅分配上次还未完成的时间片，不再分配该队列对应的完整时间片。