调度算法
廖家龙 用心听,不照做

饥饿:某进程/作业长期得不到服务

先来先服务FCFS

按照作业/进程到达的先后顺序进行服务,事实上就是等待时间越久的越优先得到服务

用于作业调度时,考虑的是哪个作业先到达后备队列(外存中);用于进程调度时,考虑的是哪个进程先到达就绪队列(内存中)

非抢占式算法

优点:公平、算法实现简单

缺点:排在长作业(进程)后面的短作业需要等待很长时间,带权周转时间很大,对短作业来说用户体验不好,即FCFS算法对长作业有利,对短作业不利

不会导致饥饿

最短作业优先SJF

追求最少的平均等待时间、最少的平均周转时间、最少的平均带权周转时间

最短的作业/进程优先得到服务(所谓最短是指要求服务时间最短),每次调度时选择当前已到达的且运行时间最短的作业/进程

既可用于作业调度,也可用于进程调度,用于进程调度时称为“短进程优先算法SPF”

SJF和SPF是非抢占式的算法,但是也有抢占式的版本:最短剩余时间优先算法SRTN

最短剩余时间优先算法:每当有进程加入就绪队列改变时就需要调度,如果新到达的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短,则由新进程抢占处理机,当前运行进程重新回到就绪队列。另外,当一个进程完成时也需要调度

优点:“最短的”平均等待时间、平均周转时间

缺点:不公平,对短作业有利,对长作业不利。作业/进程的运行时间是由用户提供的,并不一定真实,不一定能做到真正的短作业优先

可能产生饥饿现象,如果源源不断的有短作业/进程到来,可能使长作业/进程长时间得不到服务,产生饥饿现象,如果一直得不到服务,则称为饿死

平均等待时间、平均周转时间、平均带权周转时间由小到大:SRTN、SJF/SPF、FCFS

最高响应比优先HRRN

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+要求服务时间)/ 要求服务时间【响应比 >= 1】

即可用于作业调度,也可用于进程调度

非抢占式的算法,因此只有当前运行的作业/进程主动放弃处理机时,才需要调度,才需要计算响应比

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

⭐️以上三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合用于早期的批处理系统,当然,FCFS算法也常结合其他的算法来使用,在现在也扮演着很重要的角色

时间片轮转RR

公平的、轮流的为各个进程服务,让每个进程在一定时间间隔内都可以得到响应

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

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)

若进程未能在时间片内运行完,将被强行剥夺处理机使用权,因此时间片轮转调度算法属于抢占式的算法,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,因此时间片不能太大

另一方面,进程调度、切换是有时间代价的(保存、恢复运行环境),因此如果时间片太小,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,可见时间片也不能太小

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,因此有一定的开销;不区分任务的紧急程度

不会导致饥饿

优先级调度

随着计算机的发展,特别是实时操作系统的出现,越来越多的应用场景需要根据任务的紧急程度来决定处理顺序

每个作业/进程有各自的优先级,调度时选择优先级最高的作业/进程

既可用于作业调度,也可用于进程调度,甚至还会用于I/O调度中

抢占式、非抢占式都有,非抢占式只需在进程主动放弃处理机时进行调度即可,而抢占式还需在就绪队列变化时,检查是否会发生抢占

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/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

对其他调度算法的折中权衡

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不结束,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

用于进程调度

抢占式的算法,在k级队列的进程运行过程中,若更上级的队列(1~k-1级)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

优点:

  • 对各类型进程相对公平(FCFS的优点)
  • 每个新到达的进程都可以很快就得到响应(RR的优点)
  • 短进程只用较少的时间就可完成(SPF的优点)
  • 不必实现估计进程的运行时间(避免用户作假)
  • 可灵活的调整对各类进程的偏好程度,比如CPU密集型进程、I/O密集型进程(可以将因I/O而阻塞的进程重新放回原队列,而不放回下一级队列,这样I/O型进程就可以保持较高优先级)

会导致饥饿,如果源源不断的有短进程到达的话,这种进程在第一级队列中就可以被处理完,已经被降级的进程就有可能导致饥饿

⭐️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。而以上这三种算法恰好也能较好的满足交互式系统的需求。因此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)