调度算法

一、时间片轮转(RR, Round-Robin)

​ 例题:各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用时间片轮转（常用于分时操作系统，更注重“响应时间”，因而此处不计算周转时间）调度算法，分析时间片大小分别是2、5时的进程运行情况。

​ 时间片轮转调度算法: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)

​ 时间片大小为2（注:以下括号内表示当前时刻就绪队列中的进程、进程的剩余运行时间)

​ 0时刻（P1(5)） :0时刻只有P1到达就绪队列，让P1上处理机运行一个时间片

​ 2时刻（P2(4)→P1(3)） :2时刻P2到达就绪队列，P1运行完一个时间片，被剥夺处理机，重新放到队尾。此时P2排在队头，因此让P2上处理机。(注意:2时刻，P1下处理机，同一时刻新进程P2到达，如果在题目中遇到这种情况，默认新到达的进程先进入就绪队列)

​ 4时刻（P1(3)→P3(1)→P2(2)） :4时刻，P3到达，先插到就绪队尾，紧接着，P2下处理机也插到队尾

​ 5时刻（P3(1)→P2(2)→P4(6)）:5时刻，P4到达插到就绪队尾（注意:由于P1的时间片还没用完，因此暂时不调度。另外，此时P1处于运行态，并不在就绪队列中)

​ 6时刻（P3(1)→ P2(2)→P4(6)→P1(1))∶ 6时刻，P1时间片用完，下处理机，重新放回就绪队尾，发生调度

​ 7时刻（P2(2)→P4(6)→P1(1)）:虽然P3的时间片没用完，但是由于P3只需运行1个单位的时间，运行完了会主动放弃处理机，因此也会发生调度。队头进程P2上处理机。

​ 9时刻（P4(6)→ P1(1)）:进程P2时间片用完，并刚好运行完，发生调度，P4上处理机

​ 11时刻（P1(1)→P4(4)） :P4时间片用完，重新回到就绪队列。P1上处理机

​ 12时刻（(P4(4)） :P1运行完，主动放弃处理机，此时就绪队列中只剩P4，P4上处理机

​ 14时刻（）:就绪队列为空，因此让P4接着运行一个时间片。

​ 16时刻:所有进程运行结束

​ 时间片大小为5

​ 0时刻（P1(5)） :只有P1到达，P1上处理机。

​ 2时刻(P2(4)） :P2到达，但P1时间片尚未结束，因此暂不调度

​ 4时刻(P2(4) >P3(1)）:P3到达，但P1时间片尚未结束，因此暂不调度

​ 5时刻（ P2(4)→ P3(1)→ P4(6)） :P4到达，同时，P1运行结束。发生调度，P2上处理机。

​ 9时刻（ P3(1)→P4(6) ）:P2运行结束，虽然时间片没用完，但是会主动放弃处理机。发生调度。

​ 10时刻（ P4(6)）:P3运行结束，虽然时间片没用完，但是会主动放弃处理机。发生调度。

​ 15时刻（）∶P4时间片用完，但就绪队列为空，因此会让P4继续执行一个时间片。

​ 16时刻（） :P4运行完，主动放弃处理机。所有进程运行完。

​ 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，并且会增大进程响应时间。因此时间片不能太大。

​ 比如:系统中有10个进程在并发执行，如果时间片为1秒，则一个进程被响应可能需要等9秒...也就是说，如果用户在自己进程的时间片外通过键盘发出调试命令，可能需要等待9秒才能被系统响应

​ 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%

二、优先级调度算法

​ 例题:各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间、进程优先数如下表所示。使用非抢占式的优先级调度算法，分析进程运行情况。（注:优先数越大，优先级越高)

​ 非抢占式的优先级调度算法:每次调度时选择当前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。

​ 注:以下括号内表示当前处于就绪队列的进程

​ 0时刻（P1）:只有P1到达，P1上处理机。

​ 7时刻（P2、P3、P4）:P1运行完成主动放弃处理机，其余进程都已到达，P3优先级最高，P3上处理机。

​ 8时刻（ P2、P4 ） :P3完成，P2、P4优先级相同，由于P2先到达，因此P2优先上处理机

​ 12时刻（P4） :P2完成，就绪队列只剩P4，P4上处理机。

​ 16时刻（ ） :P4完成，所有进程都结束

​ 抢占式的优先级调度算法:每次调度时选择当前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。另外，当就绪队列发生改变时也需要检查是会发生抢占。

​ 注:以下括号内表示当前处于就绪队列的进程

​ 0时刻（P1）:只有P1到达，P1上处理机。

​ 2时刻（P2）:P2到达就绪队列，优先级比P1更高，发生抢占。P1回到就绪队列，P2上处理机。

​ 4时刻（P1、P3）:P3到达，优先级比P2更高，P2回到就绪队列，P3抢占处理机。

​ 5时刻（P1、P2、P4）:P3完成，主动释放处理机，同时，P4也到达，由于P2比P4更先进入就绪队列，因此选择P2上处理机

​ 7时刻（P1、P4）: P2完成，就绪队列只剩P1、P4，P4上处理机。

​ 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动态改变，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。

​ 如何合理地设置各类进程的优先级？

​ 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l/O型进程（或称l/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

​ 如果采用的是动态优先级,什么时候应该调整？

​ 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

​ 如果发现一个进程频繁地进行l/O操作，则可适当提升其优先级

三、多级反馈队列调度算法

​ 例题:各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用多级反馈队列调度算法，分析进程运行的过程。

​ 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。如果此时已经在最下级的队列，则重新放回最下级队列队尾

​ 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

​ P1(1)—>P2(1)—>P1(2)

​ 一>P2(1)—>P3(1)—>P2(2)

​ —>P1(4)—>P1(1)

​ 注: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、实时操作系统等）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。因此这三种算法适合用于交互式系统。(比如UNIX使用的就是多级反馈队列调度算法)