调度

处理机调度
- 高级调度
- 中级调度
- 低级调度
进程调度
- 进程调度的时机
进程调度的方式
进程的切换与过程
- 调度算法
- - FCFS 先来先服务
  - SJF 短作业优先
  - HRRN 高响应比优先
  - 总结
- 交互式调度算法
- - 时间片轮转 RR
  - 优先级调度算法
  - 多级反馈队列调度算法
调度算法评价指标
- CPU利用率
- 系统吞吐量
- 周转时间
- 等待时间
- 响应时间

处理机调度

当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是"调度"研究的问题。

高级调度

高级调度(作业调度)，按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中，挑选一个或多个作业，给他们分配内存等必要资源，并建立相应的进程(建立PCB)，以使他获得竞争处理机的权利。

高级调度是外存与内存之间的调度。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立相应的PCB，作业调出时才撤销PCB。高级调度主要是指调入的问题，因为只有调入的时机需要操作系统来确定，但调出的时机必然是作业运行结束时才调出。

中级调度

引入了虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等他重新具备了运行条件，且内存又稍有空闲时，再重新调入内存。

这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。

暂时调到外层等待的进程状态为挂起状态，PCB并不会一起掉到外层，而是会常驻内存。PCB中会记录进程数据，在外存中的存放位置，进程状态等信息操作系统，通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的竞争PCB会被放到挂起队列中。

中级调度，就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。

一个进程可能会被多次调出调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。

低级调度

进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置这种进程调度。

进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。

进程调度

进程调度的时机

当前运行的进程主动放弃处理机
- 进程正常终止
- 运行过程中发生异常而终止
- 进程主动请求阻塞
当前运行的进程被动放弃处理机
- 分给进程的时间片用完
- 有更紧急的事需要处理
- 有更高优先级的进程进入就绪队列

不能进行进程调度与切换的情况

在处理中断的过程中，中断处理过程复杂与硬件密切相关，很难做到在中断处理过程中进行进程切换。
进程在操作系统内核程序临界区中。
在原子操作过程中(原语)，原子操作不可中断，要一气呵成。

进程调度的方式

非剥夺方式，实现简单系统开销小，但是无法及时处理紧急任务适合于早期的批处理系统。

剥夺方式，可以优先处理更紧急的进程，也可实现让各进程按时间片轮流执行的功能(通过时钟中断)。适合于分时操作系统，实时操作系统。

进程的切换与过程

进程调度指的是从就绪队列中选中一个要运行的进程。(这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程，也可能是另一个进程，后一种情况就需要进程切换)

进程切换是指一个进程让出处理机，由另一个进程占用处理器的过程。

进程切换的过程主要完成了:

对原来运行进程各种数据的保存
对新的进程各种数据的恢复

进程切换是有代价的，因此如果过于频繁的进行进程调度切换，必然会使整个系统的效率降低，使系统大部分时间都花在了进程切换上。

调度算法

FCFS 先来先服务

优点:公平，实现简单

缺点：排在传作业后面的短作业需要等待很长时间带全周转时间很大对短作业来说用户体验不好。即对长作业有利，对短作业不利。

SJF 短作业优先

抢占式:SRTN，最短剩余时间优先

优点:最短的平均等待时间、平均周转时间

缺点:对短作业有利，对长作业不利。可能产生饥饿现象。

HRRN 高响应比优先

等待时间 + 要求服务时间要求服务时间 = 响应比 \frac {等待时间 + 要求服务时间}{要求服务时间} = 响应比要求服务时间等待时间+要求服务时间=响应比

总结

这几种算法主要关心对用户的公平性，平均周转时间，平均等待时间等评价系统整体性能的指标，但是不关心响应时间也并不区分任务的紧急程度，因此对于用户来说交互性很糟糕。

因此这三种算法一般适用于早期的批处理系统。

交互式调度算法

时间片轮转 RR

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。若进程未在一个时间片内完成，则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队。

只用于进程调度，属于抢占式算法，由时钟装置发出时钟中断来通知CPU时间片已到。

如果时间片太大，使得每个进程都可以在一个时间片内就完成，则时间片轮转调度算法退化为先来先服务调度算法，并且会增大进程响应时间。

如果时间片太小，会导致进程切换过于频繁，系统会花大量的时间来处理进程切换，从而导致实际用于进程执行的时间比例减少。

优点:公平、响应快，适用于分时操作系统。

缺点:不区分任务的紧急程度

优先级调度算法

根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级

系统进程优先级高于用户进程

前台进程优先级高于后台进程

操作系统更偏好I/O进程。

IO设备和CPU可以并行工作。如果优先让IO繁忙行进程优先运行的话，则越有可能让IO设备尽早的投入工作，则资源利用率、系统吞吐量都会得到提升。

可以从追求公平，提升资源利用率等角度考虑，动态优先级调整。

如果某进程在就绪队列中等待了很长时间，则可以适当提升其优先级。如果某进程占处理机运行了很长时间，则可以适当降低其优先级。

优点:用优先级区分紧急程度，重要程度适用于实时操作系统。可灵活的调整对各种作业或进程的偏好程度。

缺点:若源源不断的有高优先级进程到来，则可能导致饥饿。

多级反馈队列调度算法

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级对头的进程分配时间片。

用于进程调度，抢占式算法，在k级队列的进程运行过程中，若更上级的队列中进入了一个新进程，则由于新进程处于优先级更高的队列中，因此新进程会抢占处理机，原来运行的进程放回k级队列队尾。

可能导致饥饿

调度算法评价指标

CPU利用率

指CPU"忙碌"的时间占总时间的比例。

系统吞吐量

单位时间内完成作业的数量

周转时间

从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间。

带权周转时间，作业周转时间比上作业实际运行的时间。

等待时间

指进程或作业处于等待处理机状态时间之和。

响应时间

从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。