（学习笔记-调度算法）进程调度算法

进程调度算法也称 CPU 调度算法，毕竟进程是由 CPU 调度的。

当 CPU 空闲时，操作系统就选择内存中标的某个 [就绪状态] 的进程，将其分配给 CPU。

什么时候会发生CPU调度呢？通常有以下情况：

1. 当进程从运行状态转换到等待状态
2. 当进程从运行状态转换到就绪状态
3. 当进程从等待状态转换到就绪状态
4. 当进程从运行状态转换到终止状态

其中发生在 1 和 4 两种情况下的调度称为 [非抢占式调度] ， 2 和 3 两种情况下发生的调度称为 [抢占式调度]。

非抢占式的意思是，当进程正在运行时，它就会一直运行，直到该进程完成或发生某个事件而被阻塞时，才会把 CPU 让给其他进程。

抢占式调度，顾名思义就是进程正在运行的时候，可以被打断，使其把 CPU 让给其他进程。那抢占的原则一般有三种，分别是时间片原则，优先权原则，短作业优先原则。

调度算法影响的是等待时间（进程在就绪队列中等待调度的时间总和），而不能影响进程真在使用的 CPU 时间和 I/O 时间。

常见的调度算法：

• 先来先服务算法
• 最短作业优先调度
• 高响应比优先调度
• 时间片轮转调度
• 最高优先级调度
• 多级反馈队列调度

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先来先服务调度算法

最简单的一个调度算法，就是非抢占式的先来先服务（FCFS）算法。

 先来先服务：每次从就绪队列选择最先进入队列的进程，然后一直运行，直到进程退出或被阻塞，才会继续从队列中选择第一个进程接着运行。

这似乎很公平，但是当一个长作业先运行了，那么后面的短作业等待的时间就会很长，不利于短作业。

FCFS对长作业有利，适用于CPU繁忙型作业的系统，而不适用于 I/O 繁忙型作业的系统。

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最短作业优先调度算法

最短作业优先（SJF）调度算法同样也是顾名思义，它会优先选择运行时间最短的进程来运行，这有助于提高系统的吞吐量。

这显然对长作业不利，很容易造成一种极端现象。

比如，一个长作业在就绪队列等待运行，而这个就绪队列有非常多的短作业，那么就会使得长作业不断地往后推，周转时间变长，致使长作业长期不会被运行。

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高响应比优先调度算法

前面的 [先来先服务调度算法] 和 [最短作业优先调度算法] 都没有很好的权衡短作业和长作业。

那么。高响应比优先（HRRN）调度算法主要是权衡了短作业和长作业。

每次进行进程调度时，先计算 [响应比优先级]，然后把 [响应比优先级] 最高的进程投入运行，[响应比优先级] 的计算公式：

从上面的公式可以发现：

• 如果两个进程的 [等待时间] 相同时， [要求服务时间] 越短，[响应比] 就越高，这样短作业的进程容易被选中运行
• 如果两个进程 [要求服务时间] 相同时，[等待时间] 越长，[响应比] 就越高，这就兼顾到了长作业进程，因为进程的响应比可以随时间等待的增加而提高，当其等待时间足够长时，其响应比便可以升到很高，从而获得运行的机会

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时间片轮转调度算法

最古老、最简单、最公平且使用最广泛的算法就是时间片轮转（RR）调度算法。

每个进程被分配一个时间段，称为时间片，即允许该进程在该时间段中运行。

• 如果时间片用完，进程还在运行，那么将会把此进程从CPU释放出来，并把 CPU分配另外一个进程
• 如果该进程在时间片结束前阻塞或结束，则 CPU 立即进行切换

另外。时间片的长度就是一个很关键的点：

• 如果时间片设的太短会导致过多的进程上下文切换，降低了 CPU 效率
• 如果设的太长又可能引起对短作业进程的响应时间变长，通常将时间片设置为 20ms-50ms 是一个比较合理的折中值。

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最高优先级调度算法

前面的 [时间片轮转算法] 做了一个假设，即让所有的进程同等重要，也不偏袒谁，大家的运行时间都一样。

但是对于多用户计算机系统就有不同的看法了，它们希望调度是有优先级的，即希望调度程序能从就绪队列中选择最高优先级的进程进行运行，这称为最高优先级（HPF）调度算法。

进程的优先级可以分为，静态优先级或动态优先级：

• 静态优先级：创建进程时候，就已经确定优先级了，然后整个运行时间优先级都不会变化；
• 动态优先级：根据进程的动态变化调整优先级，比如如果进程运行时间增加，则降低其优先级，如果进程等待时间（就绪队列的等待时间）增加，则升高其优先级，也就是随着时间的推移增加等待进程的优先级。

该算法也有两种处理优先级高的方法，非抢占式和抢占式：

• 非抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，运行完当前进程，再选择优先级高的进程。
• 抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，当前进程挂起，调度优先级高的进程运行。

但是依然有缺点，可能会导致低优先级的进程永远不会运行。

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多级反馈队列调度算法

多级反馈队列（MFQ）调度算法是 [时间片轮转算法] 和 [最高优先级算法] 的综合和发展。

顾名思义：

• [多级] 表示有多个队列，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短
• [反馈] 表示如果有新的进程加入优先级高的队列时，立刻停止当前正在运行的进程，转而去运行优先级高的队列

 工作方式：

• 设置多个队列，赋予每个队列不同的优先级，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短。
• 新的进程会被放入到第一级队列的末尾，按先来先服务的原则排队等待被调度，如果在第一级队列规定的时间片没运行完成，则将其装入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成
• 当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时，有新的进程进入较高优先级的队列，则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾，接着让较高优先级的进程运行

可以发现，对于短作业可能可以在第一级队列很快被处理完。对于长作业，如果在第一级队列处理不完，可以移入下次队列等待被执行，虽然等待的时间变长了，但是运行时间也会变长，所以该算法很好的兼顾了长短作业，同时有较好的响应时间。

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