操作系统学习笔记「进程调度」

调度的基本概念

调度：当有一堆任务要处理，但由于资源有限，无法同时处理。调度就是决定处理这些任务顺序的规则。

调度的三个层次：

• 高级调度（作业调度）

  高级调度是外存和内存之间的调度。每个作业只调入一次，调出一次。

  作业调度时会建立相应的PCB，作业调出时才撤销PCB

  ⚠️高级调度的时机由操作系统来决定

• 中级调度（内存调度）

  为了提高内存利用率和系统吞吐量，引入虚拟存储技术，将暂时不能运行的进程调至外存等待，等它重新具备了运行条件且内存有稍有空闲时，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。但是PCB并不会一起调到外存，而是常驻内存中，用于记录进程数据在外存中的存放位置、进程状态等信息。

• 低级调度（进程调度）

进程的挂起态和七状态模：

graph LR 创建态 --> 就绪态 就绪态 --> 运行态 运行态 --> 终止态 运行态 --> 就绪态 创建态 --> 就绪挂起 就绪挂起 --激活--> 就绪态 就绪态 --挂起--> 就绪挂起 运行态--> 阻塞态 阻塞态 --> 就绪态 运行态 --> 就绪挂起 阻塞态 --挂起--> 阻塞挂起 阻塞挂起 --激活--> 阻塞态 阻塞挂起 --事件出现--> 就绪挂起

暂时调到外存等待的进程状态称为挂起状态(suspend)

挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态

⚠️“挂起”和“阻塞”：两种状态都是暂时不能活的CPU服务，但是挂起态是将进程映像调到外存，而阻塞态下进程映像还在内存中

进程调度的时机

进程调度（低级调度），就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机

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)

  有的系统中，只允许进程主动放弃处理机

• 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

  有的系统中，进程可以主动放弃处理机，当有更紧急的任务需要处理时，也会强制剥夺处理机（被动放弃）

不能进行进程调度与切换的情况

1. 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。
2. 进程在操作系统内核程序临界区中。
3. 在原子操作过程中(原语)。原子操作不可中断，要一气呵成(如之前讲过的修改PCB中进程状态标志，并把PCB放到相应队列)

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

进程切换与过程

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

进程切换的过程主要完成:

1. 对原来运行进程各种数据的保存
2. 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，而真正用于执行进程的时间减少。

进程调度的方式

• 非剥夺调度方式

  又称非抢占方式。只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便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。

• 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，将处理机分配给更重要紧迫的那个进程。

抢占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

调度算法的评价指标

CPU利用率

由于早期的CPU造价极其昂贵，因此人们会希望让CPU尽可能多地工作

CPU利用率：指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例

例题:

某计算机只支持单道程序，某个作业刚开始需要在CPU上运行5秒，再用打印机打印输出5秒，之后再执行5秒才能结束。在此过程中，CPU利用率、打印机利用率分别是多少？

展开查看答案

CPU利用率 = (5+5)/(5+5+5) = 66.66%

打印机利用率 = 5 /15 = 33.33%

系统吞吐量

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量

周转时间

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间隔

包括四个部分：

• 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

1. 周转时间、平均周转时间

   \[（作业）周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间 \]

   对于用户来说，更关心自己的单个作业的周转时间

   \[平均周转时间 = \frac{各作业周转时间之和}{作业数} \]

   对于操作系统来说，更关心系统的整体表现，因此更关心所有作业周转时间的平均值

2. 带权周转时间、平均带权周转时间

   \[带权周转时间 = \frac{作业周转时间}{作业实际运行时间} = \frac{作业完成时间 - 作业提交时间}{作业实际运行时间} \]

   带权周转时间必然$\ge$1

   带权周转时间与周转时间都不是越小越好

   \[平均带权周转时间 = \frac{各作业带权周转时间之和}{作业数} \]

对于周转时间相同的两个作业，实际运行时间长的作业在相同时间内被服务的时间更多，带权周转时间更小，用户满意度更高。

对于实际运行时间相同的两个作业，周转时间短的带权周转时间更小，用户满意度更高

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。

平均等待时间：各个进程/作业等待时间的平均值

1. 作业在后备队列等待被服务（调度）
2. 作业调入内存后，建立对应的进程。这个进程会有等待被服务的时候

• 对于进程来说，等待时间就是指进程建立后等待被服务的时间之和，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累中等待的时间。

调度算法只会影响作业/进程的等待时间。

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

响应时间

响应时间：从用户提交请求到首次产生响应所用的时间

调度算法

饥饿：某进程/作业长期得不到服务

先来先服务FCFS

• 算法思想： 主要从“公平” 的角度考虑

• 算法规则：按照作业到达的先后顺序进行服务

• 既可用于作业调度，也可用与进程调度

  • 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

• 非抢占算法

• 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，对短作业来说的用户体验不好。

• 不会导致饥饿

FCFS算法对长作业有利，对短作业不利

短作业有限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：服务时间最短的作业优先得到服务

• 既可用于作业调度，也可用与进程调度

  用于进程调度时称为“短进程有限SPF,Shortest Process First算法”

• SJF和SPF是非抢占式的算法。但是也有抢占式的版本——最短剩余时间有限算法SRTN,Shortest Remaining Time Next

  最短剩余时间有限算法SRTN,Shortest Remaining Time Next

  • 算法思想：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的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

  在所有进程几乎同时到达时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少

  ⚠️虽然严格来说，SJF的平均等待时间、平均周转时间并不一定最少，但是相对于其他算法（FCFS），SJF依然可以获得较少的平均等待时间、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

• 会导致饥饿。如果源源不断地有短作业进来，可能使长作业长时间得不到服务，产生饥饿。如果一直得不到服务，则“饿死”

高响应比优先HRRN

• FCFS没有考虑到作业的运行时间，因此导致了对短作业不友好的问题
• SJF完全不考虑各个作业的等待时间，因此导致了对长作业不友好的问题*，甚至还会造成饥饿

• 算法思想：综合考虑作业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的响应比，选择响应比最高的作业为其服务

  \[响应比 = \frac{等待时间 + 要求服务时间}{要求服务时间} \]

• 既可用于作业调度，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主动放弃处理机时，才需要调度，才需要计算响应比

• 优点：综合考虑了等待时间和运行时间

• • 等待时间相同时，要求服务时间短的优先
  • 要求服务时间相同时，等待时间长的优先

• 缺点：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

• 不会导致饥饿

这几种算法主要关心用户的公平性、平均周转时间、平均等待时间等评价系统整体性能等指标，但是不关心“响应时间”，也不区分任务的紧急程度。

这三种算法只适用于早期的批处理系统。FCFS算法也常结合其他的算法使用

时间片轮转RR,Round-Robin

轮流让就绪队列中的进程依次执行一个时间片（每次选择的都是排在就绪队列队头的进程）

RR算法常用于分时操作系统，更注重“响应时间”

⚠️RR算法中的时间片划分：

• 如果时间片太大，则每个进程都可以在一个时间片内完成，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（进程调度、切换是有时间代价的），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少

• 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，则剥离处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队。

• 用于进度调度

  只有作业放入内存建立了相应的进程后码才能被分配处理机时间片

• 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

• 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

• 不会导致饥饿

优先级调度

每次调度时选择当时已到达且优先级最高的进程。当前进程主动放弃处理机时发生调度。

当就绪队列发生改变时也需要检查是否会发生抢占

就绪队列：

• 就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织。
• 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动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级

• 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、提升资源利用率的角度考虑：

• 如果某进程在就绪队列中等待了很长时间，则可以适当提高其优先级
• 如果某进程占用处理机运行了很长时间，则可以适当降低其优先级

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（I/O繁忙型进程），而不是计算型进程（CPU繁忙型进程）

⚠️I/O设备和CPU设备可以并行工作。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设备尽早投入工作，则资源利用率、系统吞吐量都会得到提升

• 算法思想：根据任务的紧急程度来决定处理顺序

• 算法规则：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

• 抢占式、非抢占式都有

  非抢占式只需要在进程主动放弃处理机时进行调度

  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

• 会导致饥饿

多级反馈队列

• 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，各级优先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
    • 若用完时间片仍未结束作业，则进程进入下一级队列队尾
    • 如果此时已经时在最下级的队列，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
  • 被抢占处理机的进程重新放回原队列队尾

• 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(1 ~ k-1级)中进入了一个新进程，则由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的优先）

  • 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）

  • 可以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

    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

• 会导致饥饿

这三种算法适合用于交互式系统