作业/进程调度算法

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本文介绍了调度的概念、层次，包括高级、中级和低级调度。阐述了调度算法涉及的周转时间、平均周转时间等概念。详细分析了先来先服务、短作业优先、高优先权优先等常用调度算法的特点、优缺点及实现方式，如先来先服务适合长作业，短作业优先能提高系统吞吐量但对长作业不利等。

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首先了解什么是调度？

调度实质是一种资源分配，调度程序从内存中选择一个可执行的进程，为之分配CPU。

调度的层次？

作业从进入系统到后备队列，再从运行到结束退出系统为止，期间经过不同级别的调度：

高级调度
高级调度又长程调度或作业调度。是将在外存上处于后备队列中的作业调入内存，为其创建进程、分配资源、放入就绪队列。(外存 ---> 内存)

中级调度
中级调度又称内存调度。是将不能运行的进程调到外存等待(挂起状态)，当其具备影响条件且内存有空闲时，再调内存。(提高内存利用率，系统吞吐量)

低级调度
低级调度又称进程调度。是为就绪队列中的进程分配处理机。(内存 ---> CPU)

调度算法中涉及概念：

周转时间
周转时间指作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。
周转时间Ti = 完成时间 - 到达时间
平均周转时间
每个用户希望自己作业周转时间最短，而对于系统管理者则希望平均周转时间最短。对应n个作业，及其对应作业周转时间Ti，可得平均周转时间：

   $\LARGE {\color{DarkGreen} }{\color{Purple} }T = 1/n[\sum_{i-1}^{n}T_i]$

带权周转时间
带权周转时间，即作业周转时间Ti与系统为它提供服务时间Ts之比：

   $\LARGE W_i=T_i/T_s$

平均带权周转时间
对与n个作业，每个作业带权周转时间为Wi，则平均带权周转时间：

   $\LARGE W=1/n[\sum_{i=1}^{n}\tfrac{T_i}{T_s}]$

CPU利用率
CPU利用率，即作业执行时间Ci 与周转时间Ti的比率。即：

   $\LARGE U_i=C_i/T_i$

响应比
响应比，即作业响应时间（等待时间+运行时间）与运行时间之比：

   $\LARGE R_p=^{\tfrac{T_w+T_s}{T_s}}$

常用调度算法：

先来先服务调度（FCFS）

特点：

按作业(进程)先后次序进行调度；
非抢占方式。(进程一旦执行，一直到运行结束或阻塞时，才将其退出，处理机分配给其他进程)
可以采用队列来实现。
按FSFS执行，平均作业周转时间较长，不作为主调策略，但适合长作业。

短作业优先调度(SJF)

特点：

作业计算时间越短，优先级越高；
可采用抢占式或非抢占式；
用于高级调度。
优点：

与FCFS相比，提高系统吞吐量。

缺点：

需要知道作业运行时间，一般系统会估计作业运行时间，估计时间一般偏长；
对长作业不利，长作业周转时间明显增加，可能得不到服务(饥饿现象)；
采用此算法，人-机无法交互；
未考虑作业紧迫程度。

高优先权优先调度(PSA)

特点：

按照进程优先级大小进行调度；
相同优先级的按照FCFS顺序调度；
主要用于进程。
调度算法类型：

抢占式：处理机分配给优先级最高的进程，但如果在其运行期间有更高优先级的进程时，调度程序就会将处理机分配到新优先级最高的进程；
非抢占式：一旦处理机分配给一个进程，则其将一直执行下去，直至运行结束或是阻塞退出。
优先级类型：

静态优先级：是在进程创建时确定，在进程的运行整个期间保持不变。
动态优先级：是在进程创建时分配一个优先级，随着进程的推进或等待时间的增加而改变。