单处理器调度算法

一.什么是调度？

调度就是从就绪队列中挑选下一个占用 CPU 运行的进程。

调度分为：长程调度、中程调度、短程调度和 I/O 调度。

本文主要讲解短程调度。

二.为什么要进行进程调度？

• 正在执行的进程正确完成，或由于某种错误而终止运行（陷阱或中断）
• 执行中的进程提出 I/O 请求，等待 I/O 完成
• 在分时系统中，分给进程的时间片用完
• 按照优先级调度，有更高优先级进程变为就绪状态（抢占方式）
• 执行中的进程执行了进程通信原语操作,如 wait 操作、阻塞原语或唤醒原语。

三.短程调度准则：

• 面向用户的准则：响应时间、周转时间（周转时间 = 完成时间 - 到达时间）
• 面向系统的准则：吞吐量、处理器利用率

四.选择调度策略

• 先到先服务FCFS
• 时间片轮转RR
• 最短进程优先SPN
• 最短剩余时间优先SRT
• 最高相应比优先HRRN
• 反馈法

五.进程调度算法的实例

进程调度方式有两种：

1. 非抢占方式
   分配 CPU 后，进程一直运行到完成或异常终止
   简单、系统开销小
   批处理系统

2. 抢占方式
   系统根据某种策略（抢占原则）收回正在运行进程的 CPU ，调度其它就绪进程运行
   及时响应各进程的需求
   分时/实时系统

抢占原则：

• 时间片原则（时间片用完）
• 优先级原则（更高优先级进程就绪）
• 短进程优先原则（更短进程就绪）

1.先来先服务FCFS

FCFS 算法总是把处理机分配给最先进入就绪队列的进程，一个进程一旦分得处理机，便执行下去，直到该进程完成或阻塞时，才释放处理机。（非抢占调度）

FCFS 的优点：实现简单。
FCFS 的缺点：没有考虑进程的优先级，平均等待时间波动较大，短进程可能排在长进程后面，I/O 资源和 CPU 资源利用率低。
FCFS 有利于长作业（进程）

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2.时间片轮转RR

RR 用于分时系统进程调度，其步骤如下：

1. 就绪进程按照 FCFS 原则排成一个就绪队列
2. 调度队首进程，执行一个时间片
3. 在一个时间片结束时，发生时钟中断
4. 调度程序暂停当前进程的执行，并送就绪队列尾
5. 通过 CPU 现场切换执行当前的队首进程

这里的时间片 q = 1

RR 的优点：就绪队列中的所有进程都会有机会获得处理器运行；可提高进程并发性和资源利用率；缩短响应时间。

RR 的缺点：时间片的长度影响系统开销和响应时间。

时间片过短，则调度程序剥夺处理机的次数增多，增加进程上下文交换次数，加重了系统开销（时间片短，有利于短作业，不利于长作业）；
时间片过长，大到进程能完成全部运行作业所需的时间，那么时间片轮转法就退化为 FCFS （长时间片，无法满足交互式用户需求）。
最佳时间片，长度略大于一次典型交互所需的时间（响应时间= 进程数目 × 时间片大小）

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3.最短进程优先SPN

SPN 算法从就绪队列中选出估计运行时间最短的进程，为之分配处理机，如果运行时间相同，按 FCFS 调度。

SPN 算法有抢占方式和非抢占方式两种：

• 最短进程优先SPN（非抢占）
• 最短剩余时间优先SRT（抢占）

SPN 的优点：能有效地降低平均等待时间，提高系统的吞吐量（平均周转时间最短），有利于短作业。
SPN 的缺点：不利于长作业当短作业持续不断到达时，长作业可能被饿死。无法准确估计作业的的确切执行时间，不一定能真正做到短作业（进程）优先调度。

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4.最短剩余时间优先SRT

SRT 是对 SPN 的改进，采用了抢占机制，根据就绪队列里进程剩余需要服务的时间来排队。剩余时间越短的排在最前面。因为需要去记录进程的剩余服务时间，所以增加了系统的开销。

SRT 的优点：比 SPN 的性能更好，短作业只要就绪就可以抢占正在执行长进程的 CPU。
SRT 的缺点：增加了额外开销，长作业（进程）可能会被饿死。

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5.最高相应比优先HRRN

为了防止长作业（进程）被饿死，选择最高相应比优先算法。
响应比 = 周转时间 / 运行时间 = （运行时间 + 等待时间 ）/ 运行时间 = 1 + 等待时间 / 运行时间

HRRN 的优点：对短作业有利（运行时间越短优先级越高），长作业不会被饿死（运行时间相同时，等待时间越长优先级越高）
HRRN 的缺点：增加了系统的开销（每次重新调度需要估计运行时间，并计算响应比）

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6.反馈法

多级队列调度：

• 根据进程属性设置多个就绪队列，每个就绪队列有各自的调度算法、优先级或时间片长度
  前台（或交互式）RR
  后台（或批处理）FCFS
• 队列之间必须有调度
  通常采用固定优先级可抢占调度
  另一种可能是在队列之间划分时间片。每个队列都有一定的 CPU 时间

多级反馈队列：

• 基于多级队列调度（多个队列，不同优先级，不同时间片长度，不同调度算法）
• 进程可以在不同队列间移动
• 可抢占调度
• 最通用和最复杂的 CPU 调度算法

多级反馈队列调度的优点：

1. 短进程出现在优先级高的队列中，可提高系统吞吐量、缩短平均周转时间
2. I/O 密集型进程放在最高优先级队列，保证及时 I/O 交互，提高 I/O 设备利用率、缩短响应时间
3. 不必事先估计进程执行时间，可以在进程中动态调节

六.多种调度算法的比较