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【操作系统】几种常用调度算法

调度算法


相关时间计算
周转时间 = 作业完成时刻 - 作业到达时刻
等待时间 = 周转时间 - 运行时间
带权周转时间 = 周转时间 / 服务时间
平均周转时间 = 作业周转时间之和 / 作业个数
平均带权周转时间 = 带权周转时间之和 / 作业个数
服务时间:作业的运行时间

调度&分配
1、调度:
调度实现进程/线程选择算法,选中者获得处理器。
2、分配:
分派实现处理器的分配和绑定工作,将处理器分配给被选中的进程或线程,处理进程或线程上下文交换细节。

剥夺式(抢占式)& 非剥夺式(非抢占式)
1、剥夺式(抢占式)优先级调度算法。当一个进程正在处理机上运行时,若有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列,则立即暂停正在运行的进程,将处理机分配给更重要或紧迫的进程。
2、非剥夺式(非抢占式)优先级调度算法。当一个进程正在处理上运行时,即使有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列,仍然让正在进行的进程继续运行,直到由于其自身原因而主动让出处理机(任务完成或等待事件),才把处理机分配给更为重要或紧迫的进程。

在这里插入图片描述

一、先来先服务调度算法(FCFS)

First Come First Service

  • 算法思想:主要从“公平”的角度考虑,先到先服务。
  • 算法规则:先进入系统的作业/进程优先被挑选。
  • 用于作业 / 进程调度:
    用于作业调度时,考虑的是哪个作业先到达后备队列;
    用于进程调度时,考虑的是哪个进程先到达就绪队列。
  • 是否可抢占:非抢占式
  • 优点:公平、算法实现简单。
  • 缺点:对长作业有利,对短作业不利。
    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。
  • 是否导致饥饿:不会

二、短作业优先调度算法(SJF)

Short Job First

  • 算法思想: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。
  • 算法规则: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)。
  • 用于作业 / 进程调度:
    用于作业调度时,称为“短作业优先算法”Short Job First(SJF);
    用于进程调度时,称为“短进程优先算法”Short Process First(SPF)。
  • 是否可抢占:
    最短作业优先算法(SJF)和短进程优先算法(SPF)是非抢占式;
    最短剩余时间优先算法(SRTF)是抢占式。
  • 优点:“最短的”平均时间、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,并不一定真实,不一定能做到真正的短作业优先。
  • 是否导致饥饿:会
    如果源源不断地有短作业/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”。

最短作业优先调度算法(SJF)

Shortest Job First

  • 算法规则:每次调度时选择当前已到达且运行时间最短的作业/进程。
  • 是否可抢占:非抢占式
  • 优点:对比先来先服务算法,最短作业优先算法的平均等待时间、平均周转时间、平均带权周转时间都更低。

最短剩余时间优先调度算法(SRTF)

Shortest Remaining Time First

  • 算法规则: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。
  • 是否可抢占:抢占式
  • 优点:对比非抢占式的短作业优先算法,抢占式的短作业优先算法的平均等待时间、平均周转时间、平均带权周转时间都更低。

三、响应比最高者优先调度算法(HRRF)

Highest Response Ratio First

  • 算法思想:选择等待时间和要求服务时间都较短的作业/进程优先调度。
  • 算法规则: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
= 响应时间/要求服务时间
= (等待时间+要求服务时间)/ 要求服务时间
= 1 + 等待时间/作业处理时间
(作业要求服务时间由用户给出,是一个常量 )

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  • 用于作业 / 进程调度:可用于作业调度,也可用于进程调度。
  • 是否可抢占:非抢占式
    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。
  • 优点:上述两种算法的权衡折中。既照顾了短作业,又考虑了作业到达的先后次序,又不会使长作业长期得不到服务。
    等待时间相同时,要求服务时间短的优先(SJF的优先,对短作业有利)
    要求服务时间相同时,等待时间长的优先(FCFS的优点)
    随着等待时间越来越长,其响应比也会越来越大,从而避免了长作业饥饿的问题(长作业有利)
  • 缺点:要进行响应比计算,增加了系统开销。
  • 是否导致饥饿:不会

总结:这三种算法只根据公平、平均等待时间、平均周转时间、平均带权周转时间等来评价系统的整体性能指标,但不关心需要时间和任务的紧急程度,对于用户来说,交互性很差。因此这三种算法只适用于早期的批处理系统。


四、时间片轮转调度算法(RR)

Round-Robin

  • 算法思想:公平地、轮流地为各个进程服务,让每个进程在一定时间间隔内都可以得到响应。
    调度程序每次把CPU分配给就绪队列首进程/线程使用一个时间间隔(称为时间片),就绪队列中的每个进程/线程轮流运行一个时间片。

  • 算法规则: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(每次选择的都是排在就绪队列队头的进程)。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。
    时间片的选取:时间片大小的确定要从进程个数、切换开销、系统效率和响应时间等方面考虑。
    常用轮转法
    ① 最常用的轮转法是等时间片轮转法,每个进程轮流运行相同时间片。
    ② 改进的轮转法对于不同的进程分配不同的时间片,时间片的长短可以动态修改。

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  • 用于作业 / 进程调度: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)
  • 是否可抢占:抢占式
    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。
    当一个进程开始运行时,将时间片的值置入间隔时钟内,当发生间隔时钟中断时,中断处理程序就通知处理器调度程序切换处理器。
  • 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;不区分任务的紧急性。
  • 是否导致饥饿:不会

时间片太大或太小
① 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,并且会增大进程的响应时间。
② 如果时间片太小,进程调度、切换是有时间代价的,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小。

五、优先级调度算法(PSA)

Priority Scheduling Algorithm

  • 算法思想:根据任务的紧急程度来决定处理顺序。
  • 算法规则:根据确定的优先级选取进程/线程,每次总是选择就绪队列中优先级最高者运行。
    用户进程/线程优先级的规定者有两种
    用户:用户自己提出优先级,称为外部指定法。优先级越高,费用越高。
    系统:由系统综合考虑有关因素来确定用户进程/线程的优先级,称为内部指定法。
    进程/线程优先级的确定方式
    根据优先级是否随时间而变,进程/线程优先级的确定有静态和动态两种方式:
    静态优先级:在进程/线程创建时确定,此后不再改变。优先级主要由进程类型、资源需求、时间需求和用户需求决定。
    优点:比较简单,开销小。
    缺点:不够公平不太灵活,可能出现优先级低的作业/进程长时间得不到调度的情况。
    动态优先级:随时间而变,基本原则是:
    a. 正在运行的进程/线程随着占有CPU时间的增加优先级逐渐降低;
    b. 就绪队列中等待CPU的进程/线程随着等待时间增加优先级逐渐提高。
    优点:公平性好,灵活,资源利用率高。
    缺点:需要花费比较多的执行程序时间,因而花费的系统开销比较大。

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  • 用于作业 / 进程调度:既可以用于作业调度,也可以用于进程调度。
  • 是否可抢占:抢占式,非抢占式都有。
    区别在于: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。可灵活地调整对各种作业/进程的偏好程度。
  • 缺点:若源源不断地有高优先级进程到来,则可能导致饥饿。
  • 是否导致饥饿:会
    若源源不断地有高优先级进程到来,则可能导致饥饿。

六、多级反馈队列调度算法 (MLFQ)

Multi-Level Feedback Queue

  • 算法思想:对其他调度算法的折中权衡。
  • 算法规则:
    1、建立多级就绪进程队列,各级队列优先级从高到低,时间片从小到大。每个队列赋予不同优先级,较高优先级队列一般分配给较短的时间片。
    2、新进程到达时先进入第1级队列,按先来先服务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;若此时已经在最下级的队列,则重新放回该队列队尾。
    3、处理器调度每次先从高优先级就绪队列中选取可占有处理器的进程,只有在选不到时,才从较低优先级就绪队列中选取进程。即只有第k级队列为空时,才会为k+1级队头的进程分配时间片。

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  • 用于作业 / 进程调度:用于进程调度
  • 是否可抢占:抢占式
    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:对其他调度算法的折中权衡。
    对各类进程相对公平(FCFS的优点);
    短进程只用较少的世界就可完成(SPF的优点);
    每个新到达的进程都可以很快得到响应(RR的优点);
    不必实现估计进程的运行时间(避免用户作假);
    可灵活地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(拓展:可以将因I/O而阻塞的进程重新放回原队列,这样I/O型进程就可以保持较高优先级)。
  • 缺点:可能会导致饥饿
  • 是否导致饥饿:会

总结: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(包括分时操作系统和实时操作系统)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。因此这三种算法适用于交互式系统。


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