处理机常用调度算法

调度算法

调度的实质就是一种资源分配。不同的系统和系统目标，通常采用不同的调度算法——适合自己的才是最好的。

• 如批处理系统为照顾为数众多的短作业，应采用短作业优先的调度算法；
• 如分时系统为保证系统具有合理的响应时间，应采用轮转法进行调度。
• 目前存在的多种调度算法中，有的算法适用于作业调度，有的算法适用于进程调度；但有些算法作业调度和进程调度都可以采用。

1、先来先服务调度算法FCFS   (First Come First Service)

   一种最简单的调度算法，按先后顺序进行调度。既可用于作业调度，也可用于进程调度。

• 按照作业提交，或进程变为就绪状态的先后次序分派CPU；
• 新作业只有当当前作业或进程执行完或阻塞才获得CPU运行
• 被唤醒的作业或进程不立即恢复执行，通常等到当前作业或进程出让CPU。 （所以，默认即是非抢占方式）

* 不利于短作业（进程）

时间分析举例：

不足：短作业C的带权周转时间竟高达100，这是不能容忍的；而长作业D的带权周转时间仅为1.99。

关于应用：有利于CPU繁忙型的作业，而不利于I/O繁忙的作业（进程）。

• 从程序规模上看，一般I/O繁忙型作业CPU进行处理的用时相对比较短，CPU繁忙型的作业相对较长。而FCFS不利于短作业，I/O繁忙型作业一旦排队靠后就会处于劣势。
• 另一方面，I/O繁忙型作业需频繁的请求I/O，即使排队靠前，但由于I/O请求阻塞，重新排队可能就会排到队尾（这一情况在其他算法下也是普遍的，但不同的算法，排队情况不同，相对的在照顾公平性上也会有所不同）。
• 目前大多数事务处理都属于I/O繁忙型作业。

2. 短作业（进程）优先调度算法SJF/SPF

(Shortest Job First) OR (Shortest Process First)

优点：

通过上表可见采用SJF/SPF算法，平均周转时间、平均带权周转时间都有明显改善。SJF/SPF调度算法能有效的降低作业的平均等待时间，提高系统吞吐量。

方式：

分抢占和非抢占两种方式，上例为简单的非抢占式。

 

进程调度描述工具

Gantt(甘特)图：常用水平线段来描述每个进程的进度。可以表示每个进程的开始时间和完成时间，线段的长度表示进程完成所需要的时间。

Process	Run time
P1	12
P2	5
P3	7
P4	3

 

SJF/SPF的不足：

• 1. 对短作业有利，但同时造成了对长作业的不利。      
• 2.由于作业（进程）的长短含主观因素，不一定能真正做到短作业优先。      
• 3.未考虑作业的紧迫程度，因而不能保证紧迫性作业（进程）的及时处理。

3. 高优先权优先调度算法HPF（Highest Priority First）

照顾紧迫性作业，使其获得优先处理而引入调度算法。常用于批处理系统中的作业调度算法，以及多种操作系统中的进程调度算法

1) 分两种方式：

• 非抢占式优先权算法
• 抢占式优先权算法 关键点：新作业产生时

2)优先权的类型

• 静态优先权：创建进程时确定，整个运行期间保持不变。一般利用某一范围的一个整数来表示，又称为优先数。
• 动态优先权：创建进程时赋予的优先权可随进程的推进或随其等待时间的增加而改变。

关于进程优先权的确定，依据如下：

1. 进程类型：一般来说，系统进程高于用户进程。
2. 进程对资源的需求：如进程的估计时间及内存需要量的多少，对要求少的进程赋予较高优先权。
3. 用户要求：由用户进程的紧迫程度及用户所付费用的多少来确定优先权的。

3）高响应比优先调度算法HRRN（Highest Response Raito Next）

• 短作业优先算法是一种比较好的算法（相当于根据作业长度设定的静态优先权算法），适用于短作业较多的批处理系统中，其主要不足是长作业的运行得不到保证。
• HRRN为每个作业引入动态优先权，使作业的优先级随着等待时间的增加而以速率a提高：

          优先权 =（等待时间+要求服务时间)/要求服务时间           

                      = 响应时间 / 要求服务时间

对不同作业都有照顾

1. 同时到达的作业优先权相同。

   初始t=0，随着时间增长，如果等待时间 t 相同，执行时间愈短的优先权愈高，利于短作业。

   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也可获得处理机。长作业有照顾。

2. 当执行时间相同的作业，优先权的高低决定于其等待时间的长短，也就是先来先服务。

什么时候计算各进程的响应比优先权？

需要进行调度选择的时候比较各自优先权

• 作业完成时
• 新作业产生时（抢占、非抢占）
• 时间片完成时
• 进程阻塞时

4. 基于时间片的轮转调度算法RR  (Round Robin)

• 分时系统新需求：及时响应用户的请求；采用基于时间片的轮转式进程调度算法。
• 早期分时系统采用的是简单的时间片轮转法，进入90年代后广泛采用多级反馈队列调度算法。

（1）时间片轮转算法

1. 将系统中所有的就绪进程按照FCFS原则，排成一个队列。
2. 每次调度时将CPU分派给队首进程，让其执行一个时间片。时间片的长度从几个ms到几百ms。
3. 在一个时间片结束时，发生时钟中断。
4. 调度程序据此暂停当前进程的执行，将其送到就绪队列的末尾，并通过上下文切换执行当前就绪的队首进程。

进程阻塞情况发生时，未用完时间片也要出让CPU

能够及时响应，但没有考虑作业长短等问题。

时间片长度的选择要与完成一个基本的交互过程所需的时间相当，保证一个基本的交互过程可在一个时间片内完成。

（2）多级反馈队列算法FB（Multiple-level Feed Back Queue）

特点：多个就绪队列，循环反馈       动态优先级、时间片轮转

1）设置多个就绪队列，各队列有不同的优先级,优先级从第一个队列依次降低。

2） 赋予各队列进程执行时间片大小不同, 优先权越高，时间片越短。

3）当一个新进程进入内存，引发的调度过程

• 准备调度：先将它放入第一个队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。
• IF时间片内完成，便可准备撤离系统；
• IF时间片内未能完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾等待再次被调度执行。
• 当第一队列中的进程都执行完，系统再按FCFS原则调度第二队列。在第二队列的稍放长些的时间片内仍未完成，再依次将它放入第三队列。
• 依次降到第n队列后，在第n队列中便采取按时间片轮转的方式运行。

注意：

• 各队列的时间片逐渐增大。优先级逐渐降低
• 仅当优先权高的队列（如第一队列）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。
• 高优先级抢占问题:

      第i队列中为某进程正占有CPU，又有新进程进入优先权较高的队列（第1~i-1队中）；

      被抢占的进程放回原就绪队列末尾；

 多级反馈队列调度算法的性能 

多级反馈队列调度算法具有较好的性能，能较好的满足各种类型用户的需要。

• 终端型作业用户。大多属于较小的交互性作业，只要能使作业在第一队列的时间片内完成，便可令用户满意。
• 短批处理作业用户。周转时间仍然较短，至多在第二到三队列即可完成。
• 长批处理作业用户。将依次在1~n级队列中轮转执行，不必担心作业长期得不到处理。

总结：