如何设计操作系统调度算法

本文主要讨论设计一个调度算法的时候要考虑的几个问题。 

首先我们应该考虑数据结构 进程控制块当中需要记录哪些 跟调度相关的信息，在设计 PCB 的时候，我们要为调度设计相应的字段。首先要知道进程的优先级和优先数。 优先级和优先数是两个不同的概念，要区分 先级表现出了进程的重要性 和紧迫性。 那么优先数实际上是一个数值 ，它反映了某一个优先级。 有些系统像 UNIX 优先数小的优先级高，这就像日常生活中一样 围棋，那么 9 段比 1 段水平要高，一般的运动员 一级运动员要比三级运动员水平要高 ，所以不能完全根据数的大小来决定优先级的高低 。

确定了优先级之后，那么优先级是固定不变的呢还是可以改变的呢，这就涉及到静态优先级还是动态优先级的概念。 所谓静态优先级呢指的是在进程创建的时候，指定的优先级之后 在进程运行的过程中，这个优先级就不再改变了。  而动态优先级呢往往是在进程运行过程中，优先级的 级别还会不断地调整。 有的时候呢我们需要动态优先级，比如说 当一个进程在就绪队列当中等待的时间很长的时候 那我们要提升它的优先级，让它尽快有机会得到 CPU 去运行 。有了优先级以后 那么就绪队列呢可以重新来组织了 ，我们可以按照优先级来组织就绪队列 当创建一个新的进程的时候 那么根据它的优先级排不同的 就绪队列，在这里头我们设定了 n 个就绪队列 优先级，不同的优先级进入不同的就绪队列 那么就绪队列 1 的优先级是最高的 。当调度程序选择进程的时候，首先应该从高优先级的队列来选择进程 。如果高优先级队列没有进程了，再从次高就绪队列来选择进程 ，这是按照优先级来排队 。

当然也可以另外一种排队的方式 我们来看一下，所有的进程 第一次创建之后，都进到第一级就绪队列 那么随着进程的运行 我们可能会降低某些进程的优先级 。比如说当一个进程分配给它的时间片用完了，那么它就会 降一级，降到第二级就绪队列。 如果它经常地用完时间片，慢慢这个进程就会降低到最后一级就绪队列 。进程调度首先在第一级队列里选，那就说明第一级就绪队列的优先级比较高。 如果这个队列是空的，那么调度就会从 其他的就绪队列里头选择进程 。那么如果你的进程已经进到了最后一级队列，那么它的优先级就越来越低 它被调度上 CPU 的机会呢就会变得很小 这就是这样一种排队以及一些结果 。

接下来讨论一下 占用 CPU 的方式。 通常有两种方式 一种叫做抢占式，一种叫做非抢占式 。所谓抢占式呢指的是这样一种情况： 当有比正在运行进程优先级更高的进程就绪的时候， 系统可以强行剥夺正在运行进程的 CPU ，然后呢把它提供给具有更高优先级的进程 。这就是抢占。 所以在 CPU 上运行的 永远是优先级最高的进程。

所谓不可抢占， 指的是当某一个进程被调度运行之后，除非由于它自身的原因放弃了 CPU，让出了 CPU 否则这个进程一直运行下去，那么这就是不可抢占。 因此在某种情况下，正在运行的进程可能 比某个在就绪队列中的进程的优先级略微低一点 。这是因为那个进程呢是在这个进程上 CPU 之后才进入就绪队列的 这就是抢占和不可抢占 。

还有两个概念，一个是 I/O 密集型 一个是 CPU 密集型进程。它是根据进程的行为来划分的。  所谓 I/O 密集型，也简称 I/O 型 它是频繁进行 I/O 的进程，大部分的时间会去等 I/O 的结果， 用 CPU 的时间比较少。 I/O 型的进程占用 CPU 的时间都比较小 。

所谓 CPU 型，有的时候也称为 CPU 密集型，或者计算密集型，它往往指的是需要大量的 CPU 时间来进行计算的进程，那么我们可以看到 这就是在 CPU 上的时间，需要很长的 CPU 的计算 。那么在设计调度算法的时候呢，通常会对 I/O 型的进程呢会有一些友好的 表示，希望更多的 I/O 型进程早一点上 CPU 运行 因为这些进程上CPU 之后， 只用了很短的一下 CPU 时间就会让出 CPU，因为它要去做其它的输入输出操作了 。因此对于一般的这个 调度程序，都会对 I/O 型进程更偏好一些。

接下来看一下时间片这个概念 ，这个概念呢大家不陌生，它指的是一个时间段 那么分配给调度上 CPU 的进程，允许这个 进程在 CPU 上执行多长时间，它是一个时间的长度 那么如何选择时间片呢？ 通常，我们应该考虑这么多的因素。 比如说 进程切换它的开销有多大， 进程对响应时间的一个要求。 那么还有呢 系统当中有多少进程处于就绪 CPU 的能力有多大，以及进程的行为 不同进程我可能区别对待。 因此 在设计时间片大小的时候呢，要考虑到这些因素 到底时间片长一点好呢，还是短一点好？ 每个进程分配的时间片都是固定的呢 还是可以变化的？那么这些问题呢就留给读者自己思考了。