操作系统进程调度算法总结
系统进程调度算法总结
- 进程类型划分
- 调度算法分类
- 调度算法适用的目标场景
- 1. 批处理系统
- 先到先服务 (first-come first-served)
- 最短作业优先
- 最短剩余时间优先
- 2. 交互式系统
- 时间片轮转调度 (round robin)
- 优先级调度
- 多级反馈队列
- 最短进程优先
- 彩票调度算法
- 保证调度算法
- 公平分享调度
- 3. 实时系统
进程类型划分
根据进程占用CPU 时间，可以将其划分为计算密集型和 I/O 密集型。
- 计算密集型 (compute-bound): 具有较长的CPU运算时间，具有较少的 I/O 操作。
- I/O 密集型 (I/O-bound): 在 I/O 请求之间需要较少的CPU运算时间。
调度算法分类
根据如何处理时钟中断，可以把调度算法分为非抢占式调度算法和抢占式调度算法。
- 非抢占式调度算法 (non-preemptive scheduling algorithm): 这种算法挑选一个进程运行，并一直运行到阻塞或自愿退出。
- 抢占式调度算法 (preemptive scheduling algorithm)：每个进程可运行的最大时间是固定的，如果运行完所有时间，进程将会被挂起，调度器进而挑选另外一个进程运行。
调度算法适用的目标场景
1. 批处理系统
在批处理系统中，没有用户在终端不耐烦地等结果。因此，非抢占式调度算法和具有较长时间间隔的抢占式算法都是适用的。这种方法减少了进程切换，因而增强了系统性能。
批处理一般注重：
- 吞吐量：最大化每小时作业数
- 周转时间：最小化从提交到完成的时间间隔
- CPU 利用率：保持 CPU 始终忙碌
先到先服务 (first-come first-served)
最简单的调度算法，按照请求 CPU 的顺序，排成一列顺序的使用 CPU。属于非抢占式算法。
最短作业优先
优先处理具有最短运行时间的进程。属于非抢占式算法。最短作业优先算法具有最短的平均等待时间，但是只有在所有作业同时启动才成立。
最短剩余时间优先
是最短作业优先的抢占式版本。使用这种算法，调度器总是挑选剩余时间最短的进程优先运行。
2. 交互式系统
交互式环境中，为了不让一个进程霸占 CPU 使得其他进程得不到服务，抢占式必须的。这些调度算法也可以用在批处理系统中。
交互式系统注重：
- 响应时间：快速响应要求
- 均衡性：满足所有用户的需求
时间片轮转调度 (round robin)
最古老、最简单、最公平且使用最广的算法。每个进程被分配一个时间片，即进程运行运行的时间。如果在时间片结束时进程仍在运行，则 CPU 将被抢占并分配给另一个进程。如果进程在时间片结束前阻塞或结束，则 CPU 当即进行切换。
时间片设置的太短会导致过多的进程切换，降低 CPU 的效率；如果设置的太长，有可能引起对短的交互请求的响应变差。
优先级调度
每个进程被赋予一个优先级，率先运行优先级最高的就绪进程。优先级可以是静态或动态的。
为了防止高优先级进程无休止地运行下去，调度器可能在每个时钟节拍时降低当前进程的优先级。如果这个动作导致其有优先级低于次高优先级，则将进行进程切换。
多级反馈队列
将优先级调度和时间片轮转调度相结合。系统中有许多独立的队列，每个队列具有不同的优先级。系统总是优先执行高优先级队列的进程。在同一个队列中，采用时间片轮转调度来切换进程。
最短进程优先
由于最短作业优先在批处理系统中常常伴随产生最短平均响应时间，所以也可以用于交互进程。
彩票调度算法
为进程发放针对系统资源（如 CPU 的访问时间）的彩票，根据进程的重要性发放不同的彩票数量，更重要的进程发放更多的彩票。当调度器需做出决策时，随机选择一张彩票，持有该彩票的进程将获得系统资源。彩票数量越多的进程，获得资源的概率越大。
彩票调度算法利用了随机性，优点：
- 可以避免奇怪的边角情况
- 很轻量
- 响应速度很快
保证调度算法
在一个有 n 个进程运行的单用户系统中，若所有的进程都平等，则每个进程将获得 1/n 的 CPU 时间。
公平分享调度
以上算法的基本单位都是进程，但是没有考虑拥有者。该算法优先考虑拥有者，保证每个拥有者拥有相等的 CPU 时间。
3. 实时系统
实时系统是那些时间因素非常关键的系统。和交互式系统不同，实时系统只运行那些用来推进现有应用的程序。
实时系统通常分为硬实时（hard real time）系统和软实时（soft real time）系统。前者意味着存在必须满足的时间限制；后者意味着偶尔超过时间限制是可以容忍的。
实时系统要求：
- 满足截止时间：避免丢失数据
- 可预测性：在多媒体系统中避免失真
参考：
《操作系统设计与实现》
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