处理机调度：调度算法与相关计算

一、调度的层次分类

1. 高级调度（作业调度）：内存与辅存之间的调度。按照一定原则从外存上处于后备队列的作业选一个（或多个）分配内存、I/O设备等资源，并建立相应进程
2. 中级调度（内存调度）：即存储器管理中的对换功能（为了提高内存利用率的）。将暂时不能运行的进程调至外存等待，此时进程处于挂起态；内存有空闲时，将外存上已具备运行条件的进程调入内存，并修改其状态为就绪态
3. 低级调度（进程调度）：按某种算法从就绪队列中选一个进程，将处理机分配给它
4. 三者中，作业调度次数少，中级调度次数略多，进程调度频率最高。

	要做什么	调度发生在…	发生频率	对进程状态的影响
高级调度（作业调度）	按照某种规则，从后备队列中选择合适的作业将其调入内存，并为其创建进程	外存->内存（面向作业）	最低	无->创建态->就绪态
中级调度（内存调度）	按照某种规则，从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存	外存->内存（面向进程）	中等	挂起态->就绪态（阻塞挂起->阻塞态）
低级调度（进程调度）	按照某种规则，从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机	内存->CPU	最高	就绪态->运行态

二、调度的目标：一些性能计算

1. CPU利用率：$CPU利用率=\frac{CPU有效工作时间}{CPU有效工作时间+CPU空闲等待时间}$
2. 系统吞吐量：单位时间内CPU完成作业的数量
3. 周转时间：指作业提交到完成所经历的时间，是作业等待、在就绪队列中排队、在处理机上运行、I/O操作所花费的时间之和
   带权周转时间$=\frac{作业周转时间}{作业实际运行时间}$（也是响应比的计算公式）
4. 等待时间：进程处于等处理机的时间之和
5. 响应时间：从用户提交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，而是响应时间

三、调度算法

1. 适合于早期批处理系统的调度算法对比：主要关心用户的公平性、平均周转时间、平均等待时间，但不关心响应时间，也不区分任务的紧急程度。对用户来说交互性很糟糕，适用于早期的批处理系统

算法	思想	可抢占？	优点	缺点	考虑等待时间/运行时间？	会导致饥饿？	适用于
FCFS	每次调度时选择等待时间最长的作业（进程）为其服务	非抢占式	公平，实现简单	对短作业不利	考虑等待时间，不考虑运行时间	不会	有利于CPU繁忙型作业，而不利于I/O繁忙型作业
SJF/SPF	每次调度时选择一个执行时间最短的作业（进程）为其服务	默认为非抢占式，也有SJF的抢占式（最短剩余时间优先算法SRTN）	严格来说，抢占式的短作业/进程（最短剩余时间）优先算法的平均等待时间、平均周转时间最少。不严格来说，SJF的平均等待时间、平均周转时间最少	对长作业不利，可能导致饥饿；难以做到真正的短作业优先	不考虑等待时间，考虑运行时间	会
HRRN	非抢占式，调度时计算所有就绪进程的响应比[^3]，选响应比最高的进程上处理机	非抢占式	上述两种的权衡折中，综合考虑等待时间和运行时间	–	考虑等待时间，考虑运行时间	不会

2. 适用于交互式系统的调度算法对比：这三种算法更注重系统的响应时间、公平性、平衡性等指标，适用于交互式系统（包括分时操作系统、实时操作系统）。比如Unix使用的就是多级反馈队列调度算法

算法	思想	可抢占？	优点	缺点	会导致饥饿？	补充
时间片轮转	按个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	抢占式	公平，适用于分时系统	频繁切换有开销，不区分优先级	不会	时间片太大或太小有何影响？[^4]
优先级调度	每个作业/进程有各自的优先级，调度时选择优先级最高的作业/进程	有抢占式的，也有非抢占式的。非抢占式只需在进程主动放弃处理机时进行调度即可，抢占式除此外还需要在就绪队列变化时检查是否会发生抢占	区分优先级，适用于实时系统	可能导致饥饿	会	动态/静态优先级？[5]各类进程设置优先级？[6]如何调整优先级？[^7]
多级反馈队列	设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大。新进程先进入第1级队列，按FCFS原则排队等待被分配时间片，时间片到未结束则进入下一级队列队尾，若已经在最下级的队列则重新放回本队列队尾。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	抢占式	平衡优秀	一般不说它有缺点，不过可能导致饥饿	会