多线程的那些事(2)进程和线程调度算法

调度算法是指：根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法，如任务A在执行完后，选择哪个任务来执行，使得某个因素（如进程总执行时间，或者磁盘寻道时间等）最小。对于不同的系统目标，通常采用不同的调度算法。
几个常用的操作系统进程调度算法。

1 先来先服务（队列）

先来先服务(FCFS)调度算法是一种最简单的调度算法，该算法既可用于作业调度，也可用于进程调度。当在作业调度中采用该算法时，每次调度都是从后备作业队列中选择一个或多个最先进入该队列的作业，将它们调入内存，为它们分配资源、创建进程，然后放入就绪队列。在进程调度中采用FCFS算法时，则每次调度是从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程，为之分配处理机，使之投入运行。该进程一直运行到完成或发生某事件而阻塞后才放弃处理机。
缺点：比较有利于长作业，而不利于短作业。 有利于CPU繁忙的作业，而不利于I/O繁忙的作业。

2 最短优先（优先队列）

最短优先调度算法是指对短作业或短进程优先调度的算法。它们可以分别用于作业调度和进程调度。短作业优先(SJF)的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出一个估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它，使它立即执行并一直执行到完成，或发生某事件而被阻塞放弃处理机时再重新调度。
缺点：长作业的运行得不到保证。

2 高优先权优先调度算法

2.1 优先权调度算法的类型

为了照顾紧迫型作业，使之在进入系统后便获得优先处理，引入了最高优先权优先(FPF)调度算法。此算法常被用于批处理系统中，作为作业调度算法，也作为多种操作系统中的进程调度算法，还可用于实时系统中。当把该算法用于作业调度时，系统将从后备队列中选择若干个优先权最高的作业装入内存。当用于进程调度时，该算法是把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程，这时，又可进一步把该算法分成如下两种。
1) 非抢占式优先权算法
在这种方式下，系统一旦把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程后，该进程便一直执行下去，直至完成；或因发生某事件使该进程放弃处理机时，系统方可再将处理机重新分配给另一优先权最高的进程。这种调度算法主要用于批处理系统中；也可用于某些对实时性要求不严的实时系统中。
2) 抢占式优先权调度算法
在这种方式下，系统同样是把处理机分配给优先权最高的进程，使之执行。但在其执行期间，只要又出现了另一个其优先权更高的进程，进程调度程序就立即停止当前进程(原优先权最高的进程)的执行，重新将处理机分配给新到的优先权最高的进程。因此，在采用这种调度算法时，是每当系统中出现一个新的就绪进程i 时，就将其优先权Pi与正在执行的进程j 的优先权Pj进行比较。如果Pi≤Pj，原进程Pj便继续执行；但如果是Pi>Pj，则立即停止Pj的执行，做进程切换，使i 进程投入执行。显然，这种抢占式的优先权调度算法能更好地满足紧迫作业的要求，故而常用于要求比较严格的实时系统中，以及对性能要求较高的批处理和分时系统中。

2.2 高响应比优先调度算法

在批处理系统中，短作业优先算法是一种比较好的算法，其主要的不足之处是长作业的运行得不到保证。如果我们能为每个作业引入前面所述的动态优先权，并使作业的优先级随着等待时间的增加而以速率a 提高，则长作业在等待一定的时间后，必然有机会分配到处理机。该优先权的变化规律可描述为：

由于等待时间与服务时间之和就是系统对该作业的响应时间，故该优先权又相当于响应比RP。据此，又可表示为：

由上式可以看出：
(1) 如果作业的等待时间相同，则要求服务的时间愈短，其优先权愈高，因而该算法有利于短作业。
(2) 当要求服务的时间相同时，作业的优先权决定于其等待时间，等待时间愈长，其优先权愈高，因而它实现的是先来先服务。
(3) 对于长作业，作业的优先级可以随等待时间的增加而提高，当其等待时间足够长时，其优先级便可升到很高，从而也可获得处理机。
简言之，该算法既照顾了短作业，又考虑了作业到达的先后次序，不会使长作业长期得不到服务。因此，该算法实现了一种较好的折衷。当然，在利用该算法时，每要进行调度之前，都须先做响应比的计算，这会增加系统开销。

3 基于时间片的轮转调度算法

3.1 时间片轮转法

在早期的时间片轮转法中，系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则排成一个队列，每次调度时，把CPU 分配给队首进程，并令其执行一个时间片。时间片的大小从几ms 到几百ms。当执行的时间片用完时，由一个计时器发出时钟中断请求，调度程序便据此信号来停止该进程的执行，并将它送往就绪队列的末尾；然后，再把处理机分配给就绪队列中新的队首进程，同时也让它执行一个时间片。这样就可以保证就绪队列中的所有进程在一给定的时间内均能获得一时间片的处理机执行时间。换言之，系统能在给定的时间内响应所有用户的请求。

3.2  多级反馈队列调度算法

前面介绍的各种用作进程调度的算法都有一定的局限性。如短进程优先的调度算法，仅照顾了短进程而忽略了长进程，而且如果并未指明进程的长度，则短进程优先和基于进程长度的抢占式调度算法都将无法使用。而多级反馈队列调度算法则不必事先知道各种进程所需的执行时间，而且还可以满足各种类型进程的需要，因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法。在采用多级反馈队列调度算法的系统中，调度算法的实施过程如下所述。
(1) 应设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同，在优先权愈高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就愈小。例如，第二个队列的时间片要比第一个队列的时间片长一倍，……，第i+1个队列的时间片要比第i个队列的时间片长一倍。
(2) 当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可准备撤离系统；如果它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾，再同样地按FCFS原则等待调度执行；如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成，再依次将它放入第三队列，……，如此下去，当一个长作业(进程)从第一队列依次降到第n队列后，在第n 队列便采取按时间片轮转的方式运行。
(3) 仅当第一队列空闲时，调度程序才调度第二队列中的进程运行；仅当第1～(i-1)队列均空时，才会调度第i队列中的进程运行。如果处理机正在第i队列中为某进程服务时，又有新进程进入优先权较高的队列(第1～(i-1)中的任何一个队列)，则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机，即由调度程序把正在运行的进程放回到第i队列的末尾，把处理机分配给新到的高优先权进程。

4 电梯调度算法

高层建筑中电梯请求不断地到来，控制电梯的计算机能够很容易地跟踪顾客按下请求的顺序。如果使用先来先服务算法调度，同时如果电梯负载很重，那么大部分时间电梯将停留在电梯的中部区域，而电梯两端区域的请求将不得不等待，直到负载中的统计波动使得中部区域没有请求位置，这样导致远离中部区域的请求得到的服务很差。因此获得最小响应时间的目标和公平性之间存在着冲突。
大多数电梯使用电梯算法来协调效率和公平性这两个相互冲突的目标。电梯算法电梯保持按一个方向移动，直到在那个方向上没有请求位置，然后改变方向。
电梯算法(elevation algorithm)需要软件维护一个二进制位，即当前方向位：向上(up)或向下(down)。当一个请求处理完成之后，电梯的驱动程序检查该位，如果是up，电梯移至下一个更高的未完成的请求。如果更高的位置没有未完成的请求，则方向位取反。当方向位设置为down时，同时存在一个低位置的请求，则移向该位置。

现在我们明白了，电梯的上下箭头按钮是为了告诉电梯你想向上还是向下去），而不是让电梯向上还是向下。

举例：电梯在上行，5楼有上召和下召。电梯会停5楼，但它是为上召服务的，所以下召灯还会保持点亮。然后启动向上，直到服务完上行的所有请求。转下行，到五楼时还是会停。这时是服务5楼下召的。

电梯处理请求规则：

电梯有移动方向，各楼层的请求有请求方向，这里维护一个请求表（记录请求ID，请求方向，该请求的停靠楼层）。因为电梯会按照移动方向移动，直到该方向没有请求（请求包括请求ID和停靠楼层的请求），所以不会根据请求方向突然改变电梯的移动方向。因此，电梯在移动过程中只处理与“电梯移动方向”相同的“请求方向”的请求。如电梯向下移动，只处理向下的请求，且该请求的方向也向下（停靠楼层请求无方向）。

具体算法过程举例如下：

    操作系统中的磁盘壁调度算法（读写一个磁盘块需要的时间主要因素是寻道时间：将磁盘臂移动到适当的柱面所需的时间）也运用了电梯算法。

有关调度的题目

[（2013年阿里巴巴暑期实习招聘笔试题）]设在内存中有P1,P2,P3三道程序，并按照P1,P2,P3的优先级次序运行，其中内部计算和IO操作时间由下表给出（CPU计算和IO资源都只能同时由一个程序占用）：
P1:计算60ms---》IO 80ms---》计算20ms
P2:计算120ms---》IO 40ms---》计算40ms
P3:计算40ms---》IO 80ms---》计算40ms
完成三道程序比单道运行节省的时间是（）
A.80ms
B.120ms
C.160ms
D.200ms

参考文献

[1]现代操作系统
[2]编程之美
[3]http://www.wypblog.com/archives/251