操作系统常见调度算法的详细介绍

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文章标签：大数据

于 2025-02-11 23:55:37 首次发布

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1. 先进先出算法（FIFO）

2. 前后台调度算法

3. 最短处理机运行期优先调度算法（短进程优先算法）

关键概念

抢占（Preemption）：强制暂停当前任务以执行更高优先级任务。

饥饿（Starvation）：低优先级任务长期无法执行。

吞吐量（Throughput）：单位时间完成的任务数量。

周转时间（Turnaround Time）：任务提交到完成的总时间。

响应时间（Response Time）：任务提交到首次执行的时间。

调度算法是操作系统中用于决定进程或任务执行顺序的重要机制。以下是几种常见的调度算法的详细介绍：

1. 先进先出算法（FIFO，First In First Out）

概念：简称FIFO，也称为先来先服务（FCFS）该调度算法按照进程到达就绪队列的顺序进行调度，先到达的进程先执行。

特点：这种算法非常简单且易于实现，是一种非抢占式调度算法。一旦进程开始执行，它会一直运行直到完成。

优缺点：其优点是公平且实现简单；

但缺点也显而易见，平均等待时间较长，可能导致“护航效应” （即短进程需一直等待长进程完成），并且不适合交互式系统。

2. 前后台调度算法

概念：前后台调度将系统分为前台和后台两部分。

前台处理交互式任务，需要快速响应；
后台则处理批处理任务，可以延迟执行。

特点：前台任务的优先级高于后台任务，因此系统会优先调度前台任务。若没有前台任务，则调度后台任务。

优缺点：此算法适合交互式系统，能够保证用户请求得到快速响应；但缺点是可能导致后台任务长时间得不到执行。

3. 最短处理机运行期优先调度算法（SJF，短进程优先算法）

概念：SJF会选择预计运行时间最短的进程优先执行。它有非抢占式和抢占式两种形式；

非抢占式SJF：一旦开始执行就不会被打断；
而抢占式SJF：（又叫最短剩余时间优先）则可以在更短的进程到达时抢占当前进程。

特点：这种算法能够最小化平均等待时间，但前提是必须预知进程的运行时间。

优缺点：优点是能够最小化平均等待时间，缺点则是可能导致长进程饥饿（长时间得不到执行），并且难以准确预测进程的运行时间。

4. 最高响应比优先调度算法（HRRN，Highest Response Ratio Next）

概念：HRRN算法通过计算响应比来决定调度顺序，响应比的计算公式为：

该算法选择响应比最高的进程优先执行。

特点：HRRN综合考虑了等待时间和运行时间，避免了长进程饥饿，是一种非抢占式调度算法。

优缺点：优点是能够兼顾短进程和长进程的公平性；缺点则是计算响应比需要额外的开销。

5. 优先级调度算法

概念：优先级调度为每个进程分配一个优先级，优先级高的进程优先执行。根据优先级的分配方式，可以分为静态和动态两种：静态优先级在进程创建时确定；动态优先级则会根据进程的状态和行为在运行过程中调整。

特点：该算法灵活，可以根据进程的重要性或需求调整调度顺序，但可能导致低优先级进程被长期饿死。

优缺点：优点是灵活且适用于多种场景；缺点是可能导致低优先级进程长时间无法执行。

6. 时间片轮转调度算法（RR，Round Robin）

概念：时间片轮转算法通常用于分时系统，每个进程分配一个固定的时间片。时间片耗尽后，进程会被抢占并重新加入就绪队列的末尾。

特点：此算法相对公平，能保证每个进程都获得一定的CPU时间。
时间片的大小对性能有较大影响：

时间片过小会导致频繁的上下文切换，增加系统开销；
时间片过大会退化为FIFO。

优缺点：优点是公平，适用于交互式系统；缺点是上下文切换的开销较大。

7. 多级反馈队列轮转算法（MFQ，Multilevel Feedback Queue）

概念：多级反馈队列算法将就绪队列分为多个优先级不同的队列，并允许进程在不同队列之间动态移动。每个队列可以使用不同的调度算法，如时间片轮转。进程初始进入最高优先级队列，若时间片用完且未完成，则降级至次高优先级队列。

特点：该算法结合了多种调度算法的优点，能够动态调整进程优先级，适应不同类型的任务。

优缺点：优点是灵活，适合多种任务类型，能有效减少短进程的响应时间；缺点是实现复杂，需要合理设置队列参数。

对比总结

调度算法	特点	优点	缺点	使用场景	是否抢占
先进先出（FIFO）	简单，非抢占式	实现简单，公平（按到达顺序处理）	平均等待时间较长，易出现“饥饿”现象	批处理系统	否
前后台调度	前台任务优先，后台任务延迟	适用于交互式系统，响应快	后台任务可能长时间等待，降低效率	交互式系统	否
最短处理机运行期优先（SJF）	优先调度最短作业	最小化平均等待时间	容易造成较长作业饥饿，难以预估作业长度	批处理系统	可选
最高响应比优先（HRRN）	兼顾等待时间和运行时间	较好地平衡了响应时间和等待时间	复杂度高，可能导致频繁切换	批处理系统	否
优先级调度	静态或动态优先级，灵活	可以根据任务紧急性调整优先级	低优先级任务可能长时间无法执行	实时系统、通用系统	可以抢占
时间片轮转（RR）	每个任务按时间片轮流执行	公平，响应时间较短，适合交互式系统	上下文切换频繁，可能浪费CPU时间	分时系统	是
多级反馈队列（MFQ）	结合多种调度算法，动态调整优先级	灵活，适应性强，避免了“饥饿”现象	实现复杂，可能导致较高的开销	通用系统	是