操作系统——处理机调度

2.2 处理机调度

2.2.1 调度的概念

调度的基本概念：处理机调度是对处理机进行分配，从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程并发执行

调度的层次：

1）作业调度（高级调度）：从外存上处于后备队列的作业中挑选一个，给它分配内存、输入输出设备等必要资源，并建立相应的进程，以获得竞争处理机的权力。作业调度就是内存与外存之间的调度。

2）内存调度（中级调度）：把那些暂时不能运行的进程调至外存等待，并修改进程状态为挂起态，当具备运行条件且内存有空闲时，由内存调度来决定把外存上已具备运行条件的就绪进程重新调入内存，修改进程状态为就绪态。内存调度的目的是提高内存利用率和系统吞吐量。内存调度实质上是存储器管理中的对换功能。

3）进程调度（低级调度）：按照某种算法从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。进程调度是最基本的，不可或缺。

三者对比：

2.2.2 调度的目标

比较处理机调度算法的性能

1）CPU利用率=CPU有效工作时间 / CPU有效工作时间+CPU空闲等待时间

2）系统吞吐量：单位时间内处理机完成的作业数量。长作业会降低系统的吞吐量

3）周转时间：周转时间=作业完成时间-作业提交时间带权周转时间=周转时间/作业实际运行时间

4）等待时间：进程处于等处理机的时间之和

5）响应时间：用户提交请求到系统首次产生响应所用的时间

2.2.3 调度的实现

1、调度的时机、切换与过程

不能进行进程的调度与切换的情况：

1）在处理中断的过程中

2）进程在操作系统内核临界区

3）其他需要完全屏蔽中断的原子操作过程中

应进行进程调度与切换的情况：

1）发生调度的条件且当前进程无法继续运行下去

2）中断处理结束或自陷处理结束后，返回被中断进程的用户态程序执行现场前

2、进程调度方式

1）非抢占调度方式：一个进程正在执行，如果有更重要紧急的进程进入就绪队列，仍然要等到当前进程运行完后，才能分配处理机给其他进程。适用于批处理系统。

2）抢占调度方式：和非抢占不同，如果有紧急的进程需要处理机，则允许调度程序去暂停正在执行的进程，并将处理机分配给紧急的进程。适用于分时系统、实时系统。

3、典型的调度算法

调度算法学习思路：1）用于作业调度还是进程调度 2）抢占式还是非抢占式 3）优点缺点 4）是否会导致饥饿

1）先来先服务调度算法（FCFS）

选择最先到达的作业或进程

1、既可用于作业调度，又可进程调度

2、非抢占式

3、优点：算法简单，但效率低缺点：对长作业有利，对短作业不利；有利于CPU繁忙型作业，不利于I/O繁忙型作业

4、不会导致饥饿

2）短作业优先调度算法（SJF）

对短作业（进程）优先调度

1、既可用于作业调度，又可进程调度

2、分为抢占式和非抢占式

3、优点：在所有进程几乎同时到达的情况下，SJF的平均等待时间、平均周转时间最少

缺点：该算法对长作业不利，未考虑作业的紧迫程度

4、会导致饥饿现象

非抢占式：

抢占式：

3）高响应比优先调度算法

在每次调度时先计算各个作业/进程的响应比，选择响应比最高的作业/进程为其服务

响应比=等待时间+运行时间 / 运行时间

1、既可用于作业调度，又可进程调度

2、非抢占式

3、优点：综合考虑了等待时间和运行时间（要求服务时间)，等待时间相同时，要求服务时间短的优先(SJF的优点)要求服务时间相同时，等待时间长的优先（FCFS的优点)，对于长作业来说，随着等待时间越来越久，其响应比也会越来越大，从而避免了长作业饥饿的问题。

4、不会导致饥饿现象

4）优先级调度算法

1、既可用于作业调度，又可进程调度

2、分为抢占式和非抢占式

根据进程创建后按其优先级是否可以改变将进程优先级分为：1、静态优先级 2、动态优先级

进程优先基带设置可参照以下原则：

1、系统进程>用户进程

2、交互型进程>非交互型进程（前台进程>后台进程）

3、I/O型进程>计算型进程

非抢占式：

抢占式：

5）多级反馈队列调度算法

算法规则：设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大新进程到达时先进入第1级队列，按FCFS原则排队等待被分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾。如果此时已经是在最下级的队列，则重新放回该队列队尾，只有第k 级队列为空时，才会为k+1级队头的进程分配时间片

1、用于进程调度

2、抢占式

3、优点：兼顾长短作业，有较好的响应时间

4、会导致饥饿

6）时间片轮转调度算法

按照各进程到达就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个时间片（如100ms）。若进程未在一个时间片内执行完，则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队。

1、用于进程调度（只有作业放入内存建立了相应的进程后，才能被分配处理机时间片)

2、抢占式

3、优点：公平、响应快，适用于分时操作系统

缺点:由于高频率的进程切换，因此有一定开销;不区分任务的紧急程度。

4、不会导致饥饿

5、时间片应选择合适，太大会退化成先来先服务算法，太小会导致进程之间过于频繁切换，使处理机开销增大

比起早期的批处理操作系统来说，由于计算机造价大幅降低，因此之后出现的交互式操作系统（包括分时操作系统、实时操作系统等）更注重系统的响应时间、公平性、平衡性等指标。而这几种算法恰好也能较好地满足交互式系统的需求。因此4、5、6这三种算法适合用于交互式系统。(比如UNIX使用的就是多级反馈队列调度算法)

进程切换

上下文切换：指CPU从一个进程的运行转到另一个进程上运行，在这个过程中，进程的运行环境发生了实质性的变化

模式切换：用户态和内核态的切换

题目：

1、时间片轮转调度算法是为了（） A

A.多个用户能及时干预系统 B.使系统变得高效

C.优先级较高的进程得到及时响应 D.需要CPU时间最少的进程最先做

2、下列调度算法中，（）调度算法是绝对可抢占的。 B

A.先来先服务 B.时间片轮转 C.优先级 D.短进程优先

3、假设系统中所有进程同时到达，则使进程平均周转时间最短的是（）调度算法 D

A.先来先服务 B.时间片轮转 C.优先级 D.短进程优先

4、下列与进程调度有关的因素中，在设计多级反馈队列调度算法时需要考虑的是（）I II III IV

I 就绪队列的数量 II 就绪队列的优先级

III 各就绪队列的调度算法 IV 进程在就绪队列间的迁移条件