操作系统 408-2-2

# 调度

当有一堆任务要处理，由于资源有限，这些事情没办法同时处理。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

# 调度的三个层次

高级调度

作业：一个具体的任务

高级调度：按一定的原则从外存的作业后备队列挑选一个作业调入内存，并创建进程。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立 PCB，调出时才撤销 PCB

低级调度（进程调度 / 处理机调度）

按照某种策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它

进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都是必须配置进程调度

进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次

中级调度

内存不够时，可将某些进程的数据调出外存。等内存空间空闲或者进程需要运行时再重新调入内存

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态，被挂起的进程 PCB 会被组织成挂起队列

中级调度 (内存调度)：按照某种策略决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存

一个进程可能会多次被调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高

三层调度联系对比：

# 进程调度的时机、切换与过程

# 进程调度

需要进行进程调度与切换的情况：

• 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 (如等待 I/O)
• 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 (如 I/O 中断)
  • 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

注意：

• 进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换 —— 正确
• 进程处于临界区时不能进行处理机调度 —— 错误

临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥地访问临界资源

临界区：访问临界资源的那段代码

内核程序临界区一般是用来访问某种内核数据结构的，比如进程就绪队列 (由各就绪进程的 PCB 组成)

• 如果还没退出临界区 (还没解锁) 就进行进程调度，但是进程调度相关的程序也需要访问就绪队列，但此时就绪队列被锁住了，因此无法顺利进行进程调度。

• 内核程序临界区访问的临界资源如果不尽快释放的话，极有可能影响到操作系统内核的其他管理工作，因此在访问内核程序临界区期内不能进行调度与切换

• 在打印机打印完成之前，进程一直处于临界区内，临界资源不会解锁。但打印机又是慢速设备，此时如果一直不允许进程调度的话就会导致 CPU 一直空闲

• 普通临界区访问的临界资源不会影响操作系统内核的管理工作，因此在访问普通临界区时可以进行调度与切换

# 进程调度的方式

非剥夺调度方式，又称非抢占方式。即，只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即使有更紧迫的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞态

• 实现简单，系统开销小但是无法及时处理紧急任务，适用于早期的批处理系统

剥夺调度方式，又称抢占方式。当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要的或更紧迫的进程需要使用处理机，则立即暂停正在执行的进程，将处理机分配更重要紧迫的那个进程

• 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)。适用于分时操作系统，实时操作系统

# 进程的切换与过程

"狭义的进程调度" 与 "进程切换" 的区别

狭义的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，也可以是另一个进程，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机的过程

广义的进程调度包含了选择一个进程和进程切换两个步骤。

进程切换的过程

• 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

注意：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，而真正用于执行进程的时间减少

# 调度器和闲逛进程

调度器 / 调度程序

就绪态到运行态的转换中，被调度程序选中和时间用完导致的转换由调度程序引起，调度程序决定：

• 让谁运行 —— 调度算法
• 运行多长时间 —— 时间片大小

调度时机 —— 什么事件会触发 "调度程序"

• 创建新的进程

• 进程退出

• 运行进程阻塞

• I/O 中断发生 (可能唤醒某些阻塞进程)

• 非抢占式调度策略，只有运行进程阻塞或退出才触发调度程序工作

• 抢占式调度策略，每个时钟中断或 k 个时钟中断会触发调度程序工作

对于不支持内核级线程的操作系统，调度程序的处理对象是进程

支持内核级线程的操作系统，调度程序的处理对象是内核线程

闲逛进程

当没有其他就绪进程是时，运行闲逛进程

闲逛进程的特性：

• 优先级最低
• 可以是 0 地址指令，占一个完整的指令周期 (指令周期末尾例行检查中断)
• 能耗低

# 调度算法的评价指标

CPU 利用率

CPU 利用率：指 CPU 忙碌的时间占总时间的比例

利用率 = 忙碌的时间 / 总时间

系统吞吐量

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量

系统吞吐量 = 总共完成了多少道作业 / 总共花了多少时间

周转时间

周转时间：指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔

它包括四部分：

• 作业在外存后备队列上等待作业调度 (高级调度) 的时间
• 进程在就绪队列上等待进程调度 (低级调度) 的时间
• 进程在 CPU 上执行的时间
• 进程等待 I/O 操作完成的时间

后三项在一个作业的整个处理中，可能发生多次

(作业) 周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间

平均周转时间 = 各作业周转时间之和 / 作业数

带权周转时间 = 作业周转时间 / 作业实际运行的时间 =(作业完成时间 - 作业提交时间)/ 作业实际运行的时间

平均带权周转时间 = 各作业带权周转时间 / 作业数

等待时间

等待时间：指进程 / 作业处于等待处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低

对于进程来说，等待时间就是进程建立之后等待被服务的时间之和，在等待 I/O 完成的期间其实进程也是在被服务的，所以不计入等待时间。

对于作业来说，不仅要考虑建立进程后的等待时间，还要加上作业在外存后备队列中等待的时间

一个作业总共需要被 CPU 服务多久，被 I/O 设备服务多久一般是确定不变的，因此调度算法其实只会影响作业 / 进程的等待时间。

同理，也有平均等待时间指标

响应时间

响应时间：指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间

# 调度算法

# 先来先服务 (FCFS)

• 算法思想：主要从 "公平" 的角度考虑
• 算法规则：按照作业 / 进程到达的先后顺序进行服务
• 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：非抢占式算法
• 优缺点
  • 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，带全周期时间很大，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
• 是否会导致饥饿：不会

# 短作业优先 (SJF)

• 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"，是要求服务时间最短)
• 用于作业 / 进程调度：即可用于作业调度，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)"
• 是否可抢占：SJF 和 SPF 是非抢占式算法，但是也有抢占式算法 —— 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整调度，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
• 优缺点：
  • 优点："最短的（不严谨）" 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。可能产生饥饿现象。另外，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最短作业优点
• 是否会导致饥饿：会。如果源源不断地有短作业 / 进程到来，可能是长作业 / 进程长时间得不到服务，产生饥饿现象

# 高响应比优先 (HRRN)

• 算法思想：要综合考虑作业 / 进程的等待时间和要求服务的时间
• 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：(等待时间 + 要求服务时间)/ 要求服务时间
• 用于作业 / 进程调度：既可用于作业调度，也可用于进程调度
• 是否可以抢占：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
• 优缺点：
  • 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，要求服务时间短的有限 (SJF 的优点)
  • 要求服务时间相同时，等待时间长的有限 (PCS 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
  • 是否会导致饥饿：不会

这三种算法一般适合用于早期的批处理系统。

# 时间片轮转调度算法 (RR)

• 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
• 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。若进程未在一个时间片内执行完，则剥夺处理机。将进程重新放回就绪队列队尾重新排队
• 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进程后，才能被分配处理机时间片)
• 是否可抢占：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
  • 一般来说，设计时间片时要让切换进程的开销占比不超过 1%
• 优缺点：
  • 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
• 是否会导致饥饿：不会

# 优先级调度算法

• 算法思想：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
• 算法规则：每个作业 / 进程由各自的优先级，调度时选择优先级最高的作业 / 进程
• 用于作业 / 进程：既可用于作业调度，也可用于进程调度和 I/O 调度
• 是否可抢占：抢占式、非抢占式都有
  • 非抢占式需要在进程主动放弃处理机时进行调度即可
  • 抢占式还需在就绪队列变化时，检查是否会发生抢占
• 优缺点：
  • 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达，则可能导致饥饿
• 是否会导致饥饿：会
• 补充：
  • 就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织。另外，也可以把优先级高的进程排在更靠近队头的位置
  • 根据优先级是否可以改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级两种
  • 静态优先级：创建进程时确定，之后一直不变
  • 动态优先级：创建进程时有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级
    • 可以从追求公平、提升资源利用率等角度考虑
    • 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
    • 如果某进程占用处理机运行了很长时间，则可适当降低其优先级
  • 通常：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 型进程 (或称 I/O 繁忙型进程)
    • 注：与 I/O 型进程相对的是计算型进程 (或称 CPU 繁忙型进程)
    • I/O 设备和 CPU 可以并行工作。如果优先让 I/O 繁忙型进程优先运行的话，则越有可能让 I/O 设备尽早地投入工作，则资源利用率、系统吞吐量都会得到提升

# 多级反馈队列调度算法

• 算法思想：对其他调度算法的折中权衡

• 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，才为 k+1 级队头的进程分配时间片

• 用于作业 / 进程调度：用于进程调度

• 是否可抢占：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，原来的进程放回 k 级队列队尾

• 优缺点：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）

• 是否会导致饥饿：会

# 多级队列调度算法

系统中按进程类型设置多个队列，进程创建成功后插入某个队列

队列之间可采取固定优先级，或时间片

• 系统进程：优先级调度
• 交互式进程：RR 时间片轮转调度
• 批处理进程：FCFS 调度