操作系統中進程調度算法

    調度算法是指根據系統的資源分配策略所規定的資源分配算法。

    調度算法要達到的目標:

(1)公平性考量: 讓每個進程儘量平均的佔用CPU;

(2)效率考量: 儘量增大CPU的吞吐率,讓CPU在所有時間基本上處於忙碌狀態;

(3)響應時間考量: 讓交互用戶之間的響應時間達到最小;

(4)迴轉(TurnAround): 讓批處理用戶等待輸出的時間儘可能的小;

(5)吞吐率(ThroughPut): 讓一段時間內CPU儘可能多的處理任務;

  但在實際情況下基本上無法同時滿足上述幾個條件,所做的只能在其中尋找平衡。進程調度中常常遇到的情況是,每個進程都有不同的特點,要想調和這些進程之間的矛盾糾葛,併發揮最大的效益,就要進行管理,而在計算機世界中這個管理者就是操作系統。以下介紹幾中調度算法。

    常用調度算法:

一、先來先服務和短作業(進程)優先調度算法
    1. 先來先服務調度算法。先來先服務(FCFS)調度算法是一種最簡單的調度算法,該算法既可用於作業調度, 也可用於進程調度。FCFS算法比較有利於長作業(進程),而不利於短作業(進程)。由此可知,本算法適合於CPU繁忙型作業, 而不利於I/O繁忙型的作業(進程)。
    2. 短作業(進程)優先調度算法。短作業(進程)優先調度算法(SJ/PF)是指對短作業或短進程優先調度的算法,該算法既可用於作業調度, 也可用於進程調度。但其對長作業不利;不能保證緊迫性作業(進程)被及時處理;作業的長短只是被估算出來的。

二、高優先權優先調度算法
    1. 優先權調度算法的類型。爲了照顧緊迫性作業,使之進入系統後便獲得優先處理,引入了最高優先權優先(FPF)調度算法。 此算法常被用在批處理系統中,作爲作業調度算法,也作爲多種操作系統中的進程調度,還可以用於實時系統中。當其用於作業調度, 將後備隊列中若干個優先權最高的作業裝入內存。當其用於進程調度時,把處理機分配給就緒隊列中優先權最高的進程,此時, 又可以進一步把該算法分成以下兩種:
    (1)非搶佔式優先權算法
    (2)搶佔式優先權調度算法(高性能計算機操作系統)

    2. 優先權類型 。對於最高優先權優先調度算法,其核心在於:它是使用靜態優先權還是動態優先權,以及如何確定進程的優先權。

    3. 高響應比優先調度算法
    爲了彌補短作業優先算法的不足,我們引入動態優先權,使作業的優先等級隨着等待時間的增加而以速率a提高。 該優先權變化規律可描述爲:優先權=(等待時間+要求服務時間)/要求服務時間;即 =(響應時間)/要求服務時間。

三、基於時間片的輪轉調度算法
    1. 時間片輪轉法。時間片輪轉法一般用於進程調度,每次調度,把CPU分配隊首進程,並令其執行一個時間片。 當執行的時間片用完時,由一個記時器發出一個時鐘中斷請求,該進程被停止,並被送往就緒隊列末尾;依次循環。
  

    2. 多級反饋隊列調度算法。多級反饋隊列調度算法多級反饋隊列調度算法,不必事先知道各種進程所需要執行的時間,它是目前被公認的一種較好的進程調度算法。 其實施過程如下:
   1) 設置多個就緒隊列,併爲各個隊列賦予不同的優先級。在優先權越高的隊列中, 爲每個進程所規定的執行時間片就越小。
   2) 當一個新進程進入內存後,首先放入第一隊列的末尾,按FCFS原則排隊等候調度。 如果他能在一個時間片中完成,便可撤離;如果未完成,就轉入第二隊列的末尾,在同樣等待調度…… 如此下去,當一個長作業(進程)從第一隊列依次將到第n隊列(最後隊列)後,便按第n隊列時間片輪轉運行。
   3) 僅當第一隊列空閒時,調度程序才調度第二隊列中的進程運行;僅當第1到第(i-1)隊列空時, 纔會調度第i隊列中的進程運行,並執行相應的時間片輪轉。
   4) 如果處理機正在處理第i隊列中某進程,又有新進程進入優先權較高的隊列, 則此新隊列搶佔正在運行的處理機,並把正在運行的進程放在第i隊列的隊尾。

       前面介紹的各種用作進程調度的算法都有一定的侷限性。如短進程優先的調度算法,僅照顧了短進程而忽略了長進程,而且如果並未指明進程的長度,則短進程優先和基於進程長度的搶佔式調度算法都將無法使用。而多級反饋隊列調度算法則不必事先知道各種進程所需的執行時間,而且還可以滿足各種類型進程的需要,因而它是目前被公認的一種較好的進程調度算法。前面介紹的各種用作進程調度的算法都有一定的侷限性。如短進程優先的調度算法,僅照顧了短進程而忽略了長進程,而且如果並未指明進程的長度,則短進程優先和基於進程長度的搶佔式調度算法都將無法使用。而多級反饋隊列調度算法則不必事先知道各種進程所需的執行時間,而且還可以滿足各種類型進程的需要,因而它是目前被公認的一種較好的進程調度算法。


    其他調度算法:

一、 有保證的調度算法:

    在一個單用戶操作系統中,有n個進程在運行,那麼每個進程只能獲得CPU處理能力的1/n; 

   爲了進行這個保證,系統必須記錄每個進程創建開始到現在使用CPU的時間數量Th,每個進程被保證的佔用CPU的時間總數T。那麼Th/T就是當前進程佔用其保證時間的比例,選取當前比例最小的進程執行。

 

二、 Lottery Scheduling(樂透調度):

  原理是爲系統中的進程發放彩票,中獎後的獎勵就是某種系統資源,比如CPU時間,當調度程序運行的時候,某張彩票被隨機選擇爲中獎,持有該彩票的用戶佔用該種資源。某些更加重要的進程會被給予更多的彩票以增加其獲得調度的概率。形式化的說法是: 當一個進程佔用彩票總數的f(0<=f<=1)時,那麼進程久獲得相應比例的CPU執行時間。

  樂透調度的一個有趣的原理是: 協作進程之間可以互相贈與彩票。


三、 實時調度:

   在許多場合下,得到一個延遲的答案和得到一個錯誤的答案的效果是一樣的,因爲在這些場合中時間處於一個相當重要的位置。

    實時調度系統又分爲硬實時和軟實時,硬實時系統表示每個進程都必須在截止時間之前執行完畢。軟實時指的是超過這個截止時間也是被容許的,這個截止時間只是一個標準,一個進程最好在這個截止時間之前完成,但沒有完成也不會出現什麼問題。

  週期性實時調度系統:

    假設系統中有m個週期性的時間,那麼就有m個週期性的進程來處理這m個事件,假設每個事件i的週期是Pi,CPU的處理時間是Ci,那麼只有滿足下面的條件時這個事件流纔會被處理:

                                       Ci / Pi 總和  < 1

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