操作系统-进程与线程（调度器与闲逛进程，调度算法与评价标准）
文章目录
- 1. 调度器/调度程序
- 2. 闲逛进程
- 3. 调度算法评价标准
- 4.调度算法
-
- 先来先服务（FCFS）
- 短作业优先服务（SJF）
- 高响应比优先算法（HRRN）
- 时间片轮转调度算法（RR）
- 优先级调度算法
- 多级反馈队列调度算法
- 多级队列调度算法
1. 调度器/调度程序
进程从就绪态转化为运行态，或者从运行态转化为就绪态都需要调度器
CPU运行哪个进程由调度算法决定。
一个进程在CPU上运行的时间由时间片决定。
执行调度器/调度程序的时机：
- 创建新进程
- 进程退出
- 运行进程阻塞
- IO中断发生，唤醒了某些阻塞进程
如果是非抢占式调度策略：只有在进程退出，或者进程阻塞的时候才会触发调度器
抢占式调度策略：每个或每K个时钟中断都会触发调度器。
需要注意：
- 在支持内核级线程操作系统，调度程序的操作对象是内核级线程
- 不支持内核级线程操作系统，调度程序的操作对象是进程
2. 闲逛进程
如果没有进程就绪时，此时CPU就会运行闲逛进程。
闲逛进程的特点：
- 优先级最低
- 能耗低
- 闲逛进程会反复执行0地址指令，不需要访存，不需要访问CPU寄存器。
- 指令周期结束后会检测中断。
3. 调度算法评价标准
CPU利用率： （CPU处于忙碌时间）÷（CPU总时间）（通常会考察多道程序并发执行的情况下CPU利用率）
系统吞吐量： 单位时间内完成的作业数目
系统吞吐量=（一段时间内完成的作业数目÷一段时间）
周转时间： 作业被提交到系统到作业完成的这段时间
- 平均周转时间：各个作业周转时间和÷作业数目
- 带权周转时间：作业周转时间÷作业实际运行时间（带权周转时间越小，用户效果越好）
- 平均带权周转时间：带权周转时间和÷作业数
等待时间： 进程/作业处于等待处理机状态的时间
- 进程等待时间：进程建立后等待被服务的时间和
- 作业等待时间：作业在外存后备队列等待时间+进程等待时间
相应时间： 用户提交请求到首次产生响应所用的时间
4.调度算法
先来先服务（FCFS）
思路：按照作业，进程到达的先后顺序进行服务
当用于作业调度时：考虑那个作业先到达后备队列。
当用于进程调度时：考虑那个进行先到达就绪队列。
FCFS调度算法是非抢占式的调度算法
解：这些进程都是纯计算型进程，首先采用先来先服务调度算法，进程的调度顺序为：
p1->p2->p3->p4
周转时间：（完成时间-到达时间）
- p1：7
- p2：（7+4）- 2=9
- p3：（7+4+1）- 4=8
- p4：（7+4+1+4）- 5=11
带权周转时间：周转时间÷运行时间
- p1：7÷7=1
- p2：9÷4=2.25
- p3：8÷1=8
- p4：11÷4=2.75
等待时间：周转时间-运行时间
需要注意：
如果涉及IO操作的进程，等待时间=周转时间-等待时间-I/O操作时间
- p1：0
- p2：9-4=5
- p3：8-1=7
- p4：11-4=7
平均等待时间：4.75
平均周转时间：8.75
平均带权周转时间：3.5
优点：
- 公平，算法实现简单
- 不会导致线程饥饿
缺点：
- 对长作业有利，短作业带权等待时间太长，短作业用户体验差
短作业优先服务（SJF）
思想：要求服务时间最短的优先调度
当用于作业调度时：称为SJF
当用于进程调度时：称为短进程优先算法SPF
SJF与SPF是非抢占式调度算法
但是也有其抢占式调度的变种：最短剩余时间优先算法（SRTN）
解：首先分析调度顺序
短作业/进程优先调度算法:每次调度时选择当前已到达且运行时间最短的作业/进程。
调度顺序为：p1->p3->p2->p4
具体计算过程省略：
平均周转时间= (7+4+10+11)/4 = 8
平均带权周转时间=(1+4+2.5+2.75)/4 = 2.56
平均等待时间= (0+3+6+7)/4 = 4
如果采用抢占式短作业优先算法（SRTN）：
最短剩余时间优先算法：每当有进程加入就绪队列，就绪队列改变时就需要调度，如果新到达的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短，则由新进程抢占处理机，当前运行进程重新回到就绪队列。另外，当一个进程完成时也需要调度。
进程调度顺序分析如下：
- p1先到达，过了两个时间后p2到达
- 2时刻，p1(5) 、p2(4)，此时p2剩余时间短。CPU会调度p2
- 4时刻，p1(5)、p2(2)，p3(1)此时调度p3
- 5时刻，p3完成任务，p4进程需要被调度。p1(5)、p2(2)、p4(4)调度p2
- p2调度后，调度剩下的p4->p1
平均周转时间=(16+5+1+6)/4 = 7
平均带权周转时间=(2.28+1.25+1+1.5)/4 = 1.50
平均等待时间=(9+1+0+2)/4 = 3
可以发现，采用抢占式短作业优先比非抢占式的短作业优先更加高效。
如果题目没有明确指明，提到的短作业优先默认是非抢占式的。
注意：
1. 在所有的进程同时可以运行的情况下（所有的进程近似同时到达），采用短作业优先调度算法平均等待时间，平均周转次数最短。
2. 如果没有限定条件，抢占式短作业优先算法（SRTN）平均等待时间，平均周转次数最短
优点：
- 可以得到最短的平均等待时间，平均周转次数
缺点：
- 对短作业比较好，对长作业用户体验差
- 可能会导致饥饿
高响应比优先算法（HRRN）
思路：在每次调度时先计算各个作业/进程的响应比，选择响应比最高的作业/进程为其服务（响应比：（等待时间+要求服务时间）÷要求服务时间。）
属于非抢占式调度算法，在进程主动放弃CPU（正常结束，异常结束，挂起阻塞）时才需要进行调度。
分析调度顺序：
- 0时刻：只有进程p1需要调度，p1上CPU进行调度
- 7时刻：p1进程结束，7时刻p2,p3,p4进程都到达
- 计算p2、p3、p4的响应比：p2([(7-2)+4]/4=2.25)、p3([(7-4)+1]/1=4)、p4([(7-5)+4]/4=1.5)，优先调度相应比高的p3
- 8时刻：p3进程结束，计算相应比p2(2.5)、p4(1,75)调度p2
- 12时刻：p2进程结束，只剩下p4进程，调度p4
优点：
- 综合考虑了等待时间与运行时间
- 不会导致饥饿问题，长作业随着等待时间的提高，相应比会提高，避免了饥饿问题
前三种算法主要保证公平性，不区分任务的紧急程度对用户的交互性很差
时间片轮转调度算法（RR）
思想：按照进程进入就绪队列的顺序，轮流让进程在CPU中执行一个时间片长度。如果进程在一个时间段内没有完成任务，则剥夺处理机，让这个进程进入就绪队列尾部等待CPU调度。
需要注意：
- 时间片轮转调度算法仅仅适合进程调度，不适合作业调度。只有进程才会被系统分配时间片。
- 这种调度算法属于抢占式算法，由时钟装置发出时钟中断通知CPU时间片已经到
设时间片大小为2时
- 时刻0，p1进程到达，p1进程被调度
- 时刻2，p2进程到达，p1时间片到达，下CPU并到就绪队列尾部，此时就绪队列为p2(队头4)-p1(3)，CPU调度p2进程
- 时刻4，p3进程到达，p2时间片到，此时就绪队列为p1(队头3)-p3(1)-p2(2)，CPU调度p1
- 时刻5，p4进程到达，p1时间片未到，此时就绪队列为p1(队头2)-p3(1)-p2(2)-p4(6)
- 时刻6，p1时间片到，轮转调度，此时就绪队列为p3(队头1)-p2(2)-p4(6)-p1(1)，CPU调度p3进程
- 时刻7，p3进程正常结束，CPU进行调度此时就绪队列为p2(队头2)-p4(6)-p1(1)，CPU调度p2
- 时刻9，p2进程正常退出，此时就绪队列为p4(队头6)-p1(1)，CPU调度p4进程
- 之后就是这个两个进程在调度,不在赘述
时间片为5的情况不在赘述
需要注意：
如果设置的时间片比较大时，会导致每个进程都在一个时间片内完成，此时时间片轮转调度算法和先进先服务算法调度顺序相同。
时间片大小不适合太大，也不适合太小。太大了会增加进程响应的时间，太小了回到是进程切换频繁，系统开销增大
优点：
- 对于每个进程来讲公平
- 进程响应快
- 不会导致饥饿问题
缺点
- 用于进程切换时有开销
- 不区分任务的紧急程度
优先级调度算法
思路：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
这个算法既可以用在进程调度，也可以用于作业调度（同时也适用于IO调度）
优先级调度算法可以由抢占式，也可以有非抢占式
- 非抢占式只需在进程主动放弃处理机时进行调度即可
- 抢占式还需在就绪队列变化时，检查是否会发生抢占。
非抢占式调度图：
抢占式优先级调度算法：
需要注意：
- 就绪队列不一定只有一个，可以按照优先级来组织就绪队列（把优先级高的进程放在靠近队头的位置）
- 根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级两种。（动态优先级在运行时优先级可能改变，静态优先级在进程创建后不会改变）
- IO繁忙进程优先级比计算繁忙进程优先级高，让IO繁忙进程快速运行，使IO设备能尽快的于CPU并行运行，提高系统吞吐量
- 系统进程优先级比用户优先级高
优点：
- 区分进程的优先级，可以灵活的处理各个进程或作业
缺点：
- 如果有很多优先级比较高的进程到来，可能会导致饥饿问题
多级反馈队列调度算法
这种算法是上述几种调度算法的综合
具体思路：
- 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
- 新进程到达时先进入第1级队列，按FCFS原则排队等待被分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾。如果此时已经是在最下级的队列，则重新放回该队列队尾
- 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
这种算法只适用于进程调度，不适用于作业调度。
此外这种调度算法属于抢占式调度算法
调度分析：
-
0时刻，此时只有p1进程，p1进程在第一级队列被调度
-
时刻1，此时p2进程到达，p1进程时间片到，p1进程到第二级队列队尾。p2进程进入第一级队列队尾。CPU处理p2进程
-
时刻2，此时p2进程时间片到达，进入第二级别队列队尾
-
此时第一级别队列为空，为第二级别队列分配时间片，此时p1在队头，CPU调度p1进程
-
时刻4，p1时间片到，执行调度算法，CPU调度p2进程
-
时刻5，进程p3进程到达，p3进入第一级队列，p2被抢占，p2回到原来队列的队尾，CPU调度p3
之后的调度过程与上面类似，就不在赘述了
最终调度顺序为：
P1(1)->P2(1)->P1(2)->P2(1)->P3(1)->P2(2)->P1(4)->P1(1)
优点：
- 对各类进程相对公平
- 进程响应比较快
- 短进程响应快，长进程也能得到积极的响应
- 进程具有优先级
缺点：
- 短进程如果很多的话，优先级低的进程会导致饥饿问题。
多级队列调度算法
思路：进程被后会对进程进行分类。不同类别的进程优先级不同
队列之间可以采用时间片轮转调度。
eg:如三个队列分配时间50%、40%、10%
每个队列自身可以采用上述的各种不同的调度算法
eg:
- 系统进程队列采用优先级调度
- 交互式队列采用RR
- 批处理队列采用FCFS