进程调度的任务和机制

进程调度任务

保存处理机的现场信息
按某种算法选取进程
把处理器分配给进程

进程调度机制

进程调度方式

非抢占方式

一旦把处理机分配给某进程，就让它一直运行下去，直至该进程完成或阻塞时，才把处理机分配给其它进程。

优点：是实现简单、系统开销小。
缺点：但它不能用于分时系统和大多数实时系统。

抢占方式

允许调度程序根据某种原则，将已分配给该进程的处理机，重新分配给另一进程。

“抢占”必须遵循的原则：

优先权原则
短进程优先原则
时间片原则

最短剩余时间调度算法（SRT）

最短剩余时间调度算法(Shortest Remaining Time First,SRT) 是针对SPF 增加了抢占机制的一种调度算法。

它总是选择预期剩余时间最短的进程。只要新进程就绪，且有更短的剩余时间，调度程序就可能抢占当前正在运行的进程。

SRT 不像 FCFS 偏向长进程，也不像轮转法（下个算法）产生额外的中断，从而减少了开销。

就此例而言，平均周转时间和带权平均周转时间说明了SRT 好于前面的任何一个算法（因为它具有抢占的特点）。

缺点：必须记录过去的服务时间，从而增加了开销。

例题

有如下四个进程，它们的到达时间和服务时间如下表所示，请分别计算在采用 FCFS、SPF 非抢占、SRT三种调度算法时的平均周转时间和平均等待时间。

SPF、SRT 与 FCFS 的比较

时间片轮转调度算法 (Round Robin, RR)

时间片轮转调度算法：系统将所有就绪进程按FCFS的原则，排成一个队列依次调度，把 CPU 分配给队首进程，并令其执行一个时间片，通常为 10-100ms。时间片用完后，系统的计时器发出时钟中断，该进程将被剥
夺 CPU并插入就绪队列末尾。

RR 是一种非常公平的算法。

进程切换时机

若一个时间片尚未用完进程便已经完成，就立即再调度就绪队列中队首进程运行，并启动一个新的时间片。
如果在一个时间片用完时进程尚未运行完毕，则剥夺CPU，调度程序把它送往就绪队列的末尾。

响应时间T = 时间片q × 就绪队列进程数n

例：一个分时 OS，10 个终端，时间片 100ms，每个用户的请求进程要 300ms 的时间处理，问终端用户提出二次请求的时间间隔最少是多少？

解：响应时间＝ 100ms×10 ＝ 1s，每个用户的请求要获得 3 个时间片才能处理完，要轮转 3 次，才能都处理完，所以终端用户的二次请求时间间隔最少应为 2.1∼3s。

时间片轮转调度算法保证了就绪队列中的所有进程在给定的时间内，均能获得一个时间片来执行，即系统在给定的时间内，可以响应所有用户的请求。

时间片的长短对系统性能有很大影响：

调度算法（时间片应该使大多数进程可以在一个时间片内完成。但是如果太长，则退化为 FCFS。）
系统开销（太短，中断、上下文切换频繁）
平均周转时间

时间片轮转调度算法的平均周转时间比 SPF 长，但响应时间要短一些。

一个较为可取的时间片大小是，略大于一次典型的交互所需要的时间，使大多数交互式进程能在一个时间片内完成，从而可以获得很小的响应时间。

例如

优先级调度算法

优先级调度算法的类型

非抢占式优先级调度算法

一旦把处理机分配给就绪队列中优先级最高的进程后，该进程便一直执行下去直至完成，或者因该进程发生某事件而放弃处理机时，系统
方可将处理机重新分配给另一优先级最高的进程。

非抢占优先级调度算法 (设优先数越小优先级越高)

抢占式优先级调度算法

只要出现了另一个其优先级更高的进程，调度程序就将处理机分配给新到的优先级最高的进程。

抢占式优先级调度算法 (设优先数越小优先级越高)

各种调度算法的比较

多级队列调度算法

SJF、SRT 都需要知道进程的运行时间，有局限性。

如果没有关于各个进程相对长度的任何信息，则可以用已经执行的时间进行衡量。

多级队列调度算法（MQ-Multilevel Queue）

根据作业的性质或类型，把就绪队列划分成若干个独立的队列，每个作业固定地分属一个队列。不同的队列可以采用不同的调度算法。

多级反馈队列调度算法 MFQ

多级反馈队列调度算法

是时间片轮转算法和优先级调度算法的综合和发展，通过动态调整进程优先级和时间片大小，不必事先估计进程的执行时间。
FCFS + 优先级 + RR + 抢占
多级反馈队列可兼顾多方面的系统目标，是目前公认的一种较好的进程调度算法。

多级反馈队列调度算法调度机制

设置多个就绪队列，并为每个队列赋予不同的优先级。队列 1 的优先级最高，其余队列逐个降低。
每个队列中进程执行时间片的大小各不相同，进程所在队列的优先级越高，其相应的时间片就越短。
新进程进入系统时，先放入队列 1 的末尾，按FCFS等待调度。如能完成，便可准备撤离系统，反之由调度程序将其转入队列 2 的末尾，按 FCFS 再次等待调度，如此下去，最后进入队列 n 按RR算法调度执行。
仅当队列 1 为空时，才调度队列 2 中的进程运行。若一个队列中的进程正执行，此时有新进程进入高级队列，则新进程抢占运行，原进程转移至本队列队尾。

多级反馈队列调度算法的优点

短作业优先处理。运行时间短的进程在经过前面几个队列之后便可以执行完毕。
设备资源利用率高。I/O 繁忙类型的进程可能经常会由于所申请的资源被占用或启动了 I/O 传输的原因而进入等待状态。当进程得到所等待的资源或 I/O 传输完成时，它将进入第一级就绪队列，尽快获得处理机并使用
资源。
系统开销小。因为运行时间长的进程最后会进入低优先级的队列，这些队列的时间片较长，因而进程的调度频率较低。

基于公平原则的调度算法

以上介绍的调度算法只是保证一些进程（或作业）可以优先运行（如优先级算法），但是不能保证占用处理机的时间。另外也没有考虑调度的公平性。

保证调度算法

保证处理机分配的公平性。如果 n 个进程同时运行，公平的情况下每进程应该获得处理机时间的 1/n。

计算每个进程自创建以来已经执行的处理机时间。
计算每个进程应获得的处理机时间，即自创建以来的时间除以并发进程数 n。
计算进程获得处理机时间的比率。即进程实际运行的时间（1）与应获得的处理机时间（2）之比。
比较各进程获得处理机时间的比率。如进程 A 的比率为0.5，进程 B 的比率为 0.8，进程 C 的比率为 1.2。
调度程序应选择比率最小的进程，将处理机分配给它，并让该进程一直运行，直到超过最接近它的进程比率为止。

公平分享调度算法

针对用户而不是进程，使得每用户获得相同的处理机时间。

时间片轮转算法让每个进程轮流运行一个时间片，对进程很公平，但如果每个用户拥有的进程数不同，则可能对用户不公平。
公平分享调度算法调度的公平性主要是针对用户而不是进程，目标是使所有用户能获得相同的处理机时间。
调度是以进程为基本单位的，所以必须考虑到每一个用户所拥有的进程数目。
例如，用户 1 有 4 个进程 A、B、C、D，用户 2 只有一个进程 X。为保证两个用户能获得相同的处理机时间，需要强制执行如下的调度顺序：
A X B X C X D X A X ···