常见进程调度算法总结

一、定义


进程调度也称为低级调度,它所调度的对象为进程(或者内核级线程),而进程调度算法主要有以下几种:

  • 先来先服务调度算法
  • 短作业优先调度算法
  • 高优先权优先调度算法
  • 基于时间片的轮转调度算法
  • 多级反馈队列调度算法

二、调度算法介绍


(1)先来先服务调度算法(FCFS)

简介:

先来先服务调度算法是一种最简单的调度算法,可用于作业调度,也可用于进程调度。

原理:

在进程调度中采用先来先服务算法时候,每次调度就从就绪队列中选一个最先进入该队列的进程,为之分配处理机。即谁第一个排队的谁就先被执行。

优点:

  1. 有利于长作业(进程)
  2. 有利于CPU繁忙型的作业(进程)

缺点:

  1. 不利于短作业(进程)
  2. 不利于I/O繁忙型作业(进程)

(2)短作业优先调度算法(SJ(P)F)

简介:

短作业(进程)优先调度算法是指短作业或者短进程的优先调度算法,它们分别作用于作业调度和进程调度。它是先来先服务调度算法的一种优化版本。

原理:

短进程优先调度算法是从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程,再将处理机分配给它,直到执行完成。而其他进程一般不抢先正在执行的进程。

优点:

有效的降低了进程的平均等待时间,提高了系统高度吞吐量。

缺点:

  1. 算法对长作业(进程)不利(长作业(进程)长期不被调度)。
  2. 未考虑进程的紧迫程度。
  3. 由于是估计运行时间而定,而这个时间是由用户所提供的,所以该算法不一定能真正做到短作业优先调度。

(3)高优先权优先调度算法

简介:

为了解决在短作业优先调度算法中进程的紧迫程度问题,我们引入了高优先权优先调度算法,高优先权调度算法的方法也很简单,就是在队列中选取优先权最高的进程装入内存。该算法又分为以下两类:

①非抢占式优先权算法

如果系统已经分配好一个优先权最高的进程,它会一直被执行,直到结束或者因为某事件放弃执行,此时系统才会选择另外一个优先权最高的进程。

这种调度算法主要被用于批处理系统中。

②抢占式优先权算法

系统在队列中把一个优先权最高的进程执行,但是如果在执行中又出现一个优先权更高的进程,此时当前进程被停止,换入另外一个优先权更高的进程执行。

这种调度算法主要被用于要求比较严格的实时系统,以及对性能要求较高的批处理和分时系统中。

优先权的类型

优先权的类型被分为静态优先权和动态优先权。
静态优先权就是给定某个整型数字来表示进程的优先级,数字越小表示优先级越高,反之数字越大,进程优先级越低。
动态优先权随着进程的创建而被创建,可以随着进程的推进或者等待时间而变化。

(4)基于时间片的轮转调度算法

简介:

为了保证能及时相应用户的请求,所以我们采用了基于时间片的轮转调度算法,它的原理通俗来讲就是队列中每一个进程都获得了一定的执行时间,从几ms到几百ms,当一个执行时间结束,计时器会发出一个信号,此时正在执行的进程将被中断,同时此进程将放在队列的末尾,然后执行这时候的队列的队首进程,因此队列中每一个进程都将获得一定时间的执行。

算法优点:

平均执行时间短,简单可行。

算法缺点:

这种调度算法的缺点也很明显,如果执行时间(时间片)选择的不好,将对性能产生很大的影响,例如如果选择了小的时间片,那么会对短进程将很有利,很快被执行完成,但是会频繁的发生中断,增加系统的开销,但是如果选择的执行时间过长,此种算法又和先来先服务算法效果一样了。

我们根据以下三点确定执行时间:

  1. 系统的处理能力,
  2. 此就绪时队列中的进程数目。
  3. 系统对相应时间的要求。

(5)多级反馈队列调度算法

简介:

前面介绍的四种调度算法都有各自的缺陷,但是多级反馈调度算法有很多优点,是目前被公认的一种好的调度算法。

方法:

  1. 设置多个就绪队列,每个队列的优先级逐个降低,同时每个队列的执行时间也各不相同,优先级越高的队列,执行时间越短,优先级越低的队列,执行时间越长。
  2. 当一个进程进入内存后,首先进入第一个队列的末尾,按照先来先服务的调度算法进行调度,如果在第一个队列的执行时间内未执行完成,此时把此进程放入第二个队列的末尾,按照之前的方法进行执行,直到在某一个队列的队首执行完成。
  3. 当第一个队列全部执行完成,此时系统才会执行第二个队列,但是如果此时又有新的进程进入,此时执行完毕这个时间段,立刻把此进程分配给新的作业。

性能分析:

在多级反馈队列调度算法中,如果我们规定进程在第一个队列所规定的时间片内完成,此时能满足终端型用户的需求。

1. 实验目的 调度的实质是操作系统按照某种预定的策略来分配资源。进程调度的目的是分配CPU资源。由于进程调度程序执行的频率很高,因此调度算法的好坏直接影响到操作系统的性能。本实验的目的是编程模拟实现几种常用的进程调度算法,通过对几组进程分别使用不同的调度算法,计算进程的平均周转时间和平均带权周转时间,比较各种算法的性能优劣。 2. 实验原理 [1]. 进程调度算法描述 进程调度算法包括先来先服务调度算法、最短作业时间优先(抢占式和非抢占式)、最高响应比调度算法4种。(每个人必须做FCFS,然后在后面的三种中任选一种,即每个人必须做2种调度算法的模拟。) [2]. 衡量算法性能的参数 计算进程的平均周转时间和平均带权周转时间。 3. 实验内容 (1)编程实现本实验的程序,要求: [1]. 建立进程进程控制块,进程控制块至少包括: a) 进程名称; b) 进程需要执行时间; c) 进入就绪队列时间; d) 进程执行开始时间 e) 进程执行结束时间 [2]. 编程实现调度算法。 [3]. 进程及相关信息的输入。这些信息可以直接从键盘上输入,也可以从文件读取。 [4]. 时间片与时间流逝的模拟。本实验需要对算法的执行计时,程序应该提供计算时间的方法。一种最简单的方法是使用键盘,比如每敲一次空格代表一个时间片的流逝。另一种方法是使用系统时钟。 [5]. 一组进程序列执行完毕,打印出结果信息。程序需要计算出每个进程的开始执行时间、结束时间、周转时间和带权周转时间,并为整个进程序列计算平均周转时间和平均带权周转时间。程序将计算结果按一定的格式显示在计算机屏幕上或输出到文件中。打印出进程调度顺序图。 [6]. 实现数据在磁盘文件上的存取功能。 (2)对下列就绪进程序列分别使用上面的几种算法进行调度,计算每种算法下的平均周转时间和平均带权周转时间。 进程号 到达时间 要求执行时间 0 0 1 1 1 35 2 2 10 3 3 5 4 6 9 5 7 21 6 9 35 7 11 23 8 12 42 9 13 1 10 14 7 11 20 5 12 23 3 13 24 22 14 25 31
### 线程调度算法的实现原理 线程调度是指操作系统如何合理分配 CPU 时间给多个线程的过程。其核心目标是在满足性能需求的同时,尽可能提高系统的吞吐量并减少响应延迟。 #### 1. 多级反馈队列调度 (Multilevel Feedback Queue Scheduling) 多级反馈队列是一种动态调整线程优先级的调度方法。它通过设置多个优先级队列,并允许线程在不同队列之间迁移来优化资源利用效率[^1]。 - **初始放置规则**:新到达的任务通常被放入最高优先级队列。 - **超时惩罚**:如果某个线程在一个高优先级队列中未能完成执行,则会被降级到较低优先级队列。 - **升级机制**:长时间等待的低优先级线程可能会获得更高的优先权以防止“饥饿”。 这种算法能够很好地平衡短作业快速完成的需求与长期运行的大任务之间的矛盾。 #### 2. 抢占式调度 (Preemptive Scheduling) 抢占式调度允许更高优先级或者更紧急的线程打断当前正在运行的线程[^4]。这种方式特别适用于需要及时响应外部事件的应用场景,比如实时系统或交互性强的操作环境。具体来说: - 当有新的高优先级线程到来时,即使现有线程尚未结束其时间片,也会被迫暂停并将控制权交给前者。 - 此外,在某些情况下还可以借助定时器中断强制终止过期的时间片段从而触发新一轮的选择操作。 #### 3. JVM 中的线程调度 Java虚拟机(JVM)本身并不直接参与具体的线程调度工作;相反地,它是依赖于宿主机平台即所在的操作系统来进行这项活动[^2]。这意味着对于同一个应用程序而言,在不同的OS之上可能表现出不一样的行为特征因为各自的内核层面对应采用了差异化的策略组合——例如Windows倾向于采用基于优先级的可变时间段模型而Linux则更多偏向公平共享型RR轮转法等等... 下面给出一段简单的伪代码用于演示基本概念: ```java // 假设我们有两个线程 A 和 B 需要竞争CPU资源 Thread threadA = new Thread(() -> { System.out.println("Thread A is running."); }); Thread threadB = new Thread(() -> { System.out.println("Thread B is running."); }); threadA.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); // 设置较高优先级 threadB.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY); threadA.start(); threadB.start(); try { threadA.join(); // 主线程等待直到子线程A完成 } catch (InterruptedException e) {} ``` 上述例子展示了如何手动设定两个独立工作的轻量级单元(也就是所谓的'green threads')相对于彼此的重要性程度并通过调用start()函数激活它们之后再依靠join()同步关系确保顺序输出结果. --- ### 不同操作系统中的线程调度特点 #### Windows 的线程调度 微软开发的Windows系列产品的默认做法是以固定间隔周期性扫描整个就绪列表寻找符合条件的最佳候选者授予下一个可用时段使用权[^5]。与此同时还存在一种特殊现象叫做"priority boosting"(提升优先级别),主要是针对那些由于I/O请求挂起较久才重新变得活跃起来的对象给予临时性的额外照顾以免过分滞后影响用户体验质量. #### Linux 的线程调度 相比之下,Linux kernel内部实现了CFS(completely fair scheduler),旨在追求更加均衡的结果分布模式而不是单纯强调速度指标[无对应引用]. 它记录每一个实体消耗的实际cpu clock ticks数量,然后按照比例分配剩余空闲部分使得大家都能得到大致相等的机会展现自我价值. ---
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