【操作系统入门】进程调度算法-优快云博客

【操作系统入门】第四章：进程调度算法——操作系统的大脑如何决策

本系列共10篇，这是第4/10篇。在第三章，我们理解了进程与线程的基本概念。今天，我们将深入操作系统最核心的决策机制——调度算法，探索CPU时间这个宝贵资源是如何被分配的。

开篇：调度——操作系统的终极决策难题

想象一下，你是机场的塔台调度员。眼前有数十架飞机等待起飞：有的载着数百名乘客，有的是紧急医疗航班，有的只是小型私人飞机。你只有一条跑道。你该让哪架飞机先飞？

这就是操作系统调度器面临的困境。CPU就像那条唯一的跑道，而进程/线程就是等待起飞的飞机。调度算法的选择，直接决定了整个系统的"用户体验"——是流畅响应还是卡顿不堪。

第一部分：调度基础——概念与指标

1.1 调度器的层次结构

现代操作系统的调度通常分为三个层次：

长期调度（作业调度）：决定哪些程序从磁盘被加载到内存中，变为就绪进程。控制系统的多道程序度。
中期调度：在内存紧张时，将某些进程暂时换出到磁盘（挂起），待条件允许时再换入。我们在内存管理章节会详述。
短期调度（CPU调度）：这是我们本章的重点——决定就绪队列中哪个进程/线程下一个获得CPU使用权。

1.2 调度决策的发生时机

调度可能在以下时刻被触发：

进程从运行态转换为阻塞态（如I/O请求）
进程退出终止
进程从运行态转换为就绪态（如时间片用完、被更高优先级进程抢占）
进程从阻塞态转换为就绪态（如I/O完成）
时钟中断发生，检查是否需要调度

1.3 评估调度算法的关键指标

要评判一个调度算法的好坏，我们需要量化指标：

CPU利用率：CPU忙碌时间的百分比。理想情况下接近100%。
吞吐量：单位时间内完成的进程数量。
周转时间：从进程提交到进程完成的总时间（完成时间 - 到达时间）。
等待时间：进程在就绪队列中等待的总时间。
响应时间：从提交请求到第一次产生响应的时间（对交互式系统至关重要）。

调度算法的根本目标就是优化这些指标的组合。

第二部分：经典调度算法详解

让我们通过一个具体的例子来分析各种算法：假设有4个进程P1、P2、P3、P4，它们的到达时间和CPU执行时长（突发时间）如下：

进程	到达时间	突发时间
P1	0	8
P2	1	4
P3	2	9
P4	3	5

2.1 先来先服务（FCFS）

思想：最简单的调度算法，按照进程到达就绪队列的顺序分配CPU。
特点：非抢占式——一旦进程获得CPU，就会一直运行直到完成或阻塞。
调度顺序：P1(0-8) → P2(8-12) → P3(12-21) → P4(21-26)
计算指标：
- 平均等待时间 = [(0-0) + (8-1) + (12-2) + (21-3)] / 4 = (0+7+10+18)/4 = 8.75
- 平均周转时间 = [(8-0) + (12-1) + (21-2) + (26-3)] / 4 = (8+11+19+23)/4 = 15.25
优点：实现简单，公平。
缺点：护航效应——短进程可能排在长进程后面长时间等待，导致平均等待时间较长。

2.2 最短作业优先（SJF）

思想：选择下一个CPU突发时间最短的进程。理论上可以证明SJF能产生最小平均等待时间。
特点：可以是抢占式（最短剩余时间优先，SRTF）或非抢占式。
非抢占SJF调度：
- 在时间0，只有P1到达，执行P1(0-8)
- 在时间8，P2、P3、P4都已到达，选择突发时间最短的P2(8-12)
- 接着选择P4(12-17)，最后P3(17-26)
计算指标：
- 平均等待时间 = [(0-0) + (8-1) + (17-2) + (12-3)] / 4 = (0+7+15+9)/4 = 7.75
- 平均周转时间 = [(8-0) + (12-1) + (26-2) + (17-3)] / 4 = (8+11+24+14)/4 = 14.25
优点：理论上的最优平均等待时间。
缺点：
- 可能产生饥饿：长进程可能永远得不到调度。
- 无法预知未来：实际中无法准确知道进程的下一个CPU突发时间。

2.3 优先级调度

思想：为每个进程分配一个优先级，选择优先级最高的进程。优先级可以是内部定义（基于内存需求、时间限制等）或外部定义（用户级别）。
特点：可以是抢占式或非抢占式。
问题：可能导致低优先级进程饥饿。
解决方案：老化——随着进程等待时间的增加，逐步提高其优先级。

2.4 轮转调度（RR）

思想：专为分时系统设计。为每个进程分配一个固定的时间片，进程在时间片用完后被抢占，并放回就绪队列末尾。
特点：抢占式，特别适合交互式系统。
假设时间片 = 4：
- 时间0-4：P1执行（剩余4）
- 时间4-7：P2执行（到达1，执行3个单位完成）
- 时间7-11：P3执行（剩余5）
- 时间11-15：P4执行（剩余1）
- 时间15-19：P1执行（剩余0，完成）
- 时间19-23：P3执行（剩余1）
- 时间23-24：P4执行（剩余0，完成）
- 时间24-26：P3执行（剩余0，完成）
计算指标：
- 平均等待时间 = [(15-0-8) + (4-1) + (26-2-9) + (19-3-5)] / 4 = (7+3+15+11)/4 = 9.0
- 平均周转时间 = [(19-0) + (7-1) + (26-2) + (24-3)] / 4 = (19+6+24+21)/4 = 17.5
时间片大小的权衡：
- 时间片太大→退化为FCFS，响应时间变差。
- 时间片太小→上下文切换开销过大，吞吐量下降。
- 经验法则：时间片应远大于上下文切换时间，但也不能太大（通常10-100ms）。

2.5 多级队列调度（MQ）

思想：将就绪队列划分为多个独立队列，每个队列有自己的调度算法。
典型划分：
- 系统进程：最高优先级
- 交互式进程：中等优先级，使用RR调度
- 批处理进程：最低优先级，使用FCFS调度
队列间调度：通常采用固定优先级抢占（只要高优先级队列有进程，就优先运行）或按时间比例分配。

第三部分：现代操作系统的实践——多级反馈队列（MLFQ）

MLFQ是当今操作系统（如UNIX、Linux、Windows）实际使用的调度算法的简化抽象，它结合了前面多种算法的优点。

3.1 MLFQ的设计目标

优化响应时间（针对交互式进程）
优化周转时间（针对批处理进程）
不需要预先知道进程的工作负载特性

3.2 MLFQ的基本规则

一个典型的MLFQ包含多个队列，每个队列有不同的优先级和不同的时间片：

规则1：如果A的优先级 > B的优先级，运行A。
规则2：如果A的优先级 = B的优先级，按RR轮转调度运行A和B。
规则3：新进程进入最高优先级队列。
规则4：进程在使用完其所在队列的整个时间片后，优先级降低（移入下一级队列）。
规则5：进程在时间片用完前主动放弃CPU（如进行I/O操作），优先级保持不变。

3.3 MLFQ的工作机制

假设一个三队列MLFQ：

Q0：最高优先级，时间片=8ms
Q1：中优先级，时间片=16ms
Q2：最低优先级，时间片=FCFS

工作流程：

新进程P进入Q0，获得8ms时间片。
如果P在8ms内完成或主动放弃CPU，它保持在Q0（奖励交互式进程）。
如果P用完了8ms时间片，它被降级到Q1，获得16ms时间片。
如果P在Q1中又用完了16ms时间片，它被降级到Q2（FCFS）。
长时间运行的CPU密集型进程最终会沉入最低优先级队列，而短期的交互式进程会在高优先级队列快速完成。

3.4 MLFQ的优化：防止饥饿

基本MLFQ有一个问题：低优先级队列的进程可能饥饿。解决方案：

周期性地提升所有进程的优先级：例如，每秒钟将系统中所有进程都移到最高优先级队列。这保证了即使CPU密集型进程也能定期获得响应机会。

3.5 MLFQ的优势

无需预知：不需要知道进程是CPU密集型还是I/O密集型。
自适应性：能够自动识别并优待交互式进程。
平衡性：在各种工作负载下都能提供良好的性能。

第四部分：多处理器调度

现代系统大多是多核CPU，调度问题变得更加复杂：

4.1 对称多处理（SMP）与非对称多处理（AMP）

SMP：每个处理器自我调度，共享就绪队列或各有私有队列。这是现代通用操作系统的标准。
AMP：一个主处理器负责调度，其他处理器只执行计算任务。

4.2 多处理器调度的核心挑战

缓存亲和性：尽量让进程在同一个CPU核心上运行，这样可以重用仍在缓存中的数据，极大提升性能。
负载均衡：避免出现某些CPU核心极度繁忙而其他核心空闲的情况。
同步开销：多个调度器访问共享就绪队列时需要同步（锁），这可能成为性能瓶颈。

4.3 多处理器调度策略

单队列多处理器调度（SQMS）：
- 所有CPU从一个共享就绪队列中取任务。
- 优点：自动负载均衡。
- 缺点：需要锁来保护队列，缓存亲和性差。
多队列多处理器调度（MQMS）：
- 每个CPU有自己的就绪队列和自己的调度器。
- 优点：可扩展性好（无需锁），缓存亲和性好。
- 缺点：可能出现负载不均衡。
- 解决方案：迁移——定期检查各队列负载，在CPU间迁移任务以达到均衡。