操做系统经常使用调度算法

 

在操做系统中存在多种调度算法，其中有的调度算法适用于做业调度，有的调度算法适用于进程调度，有的调度算法二者都适用。下面介绍几种经常使用的调度算法。

先来先服务(FCFS)调度算法

FCFS调度算法是一种最简单的调度算法，该调度算法既能够用于做业调度也能够用于进程调度。在做业调度中，算法每次从后备做业队列中选择最早进入该队列的一个或几个做业，将它们调入内存，分配必要的资源，建立进程并放入就绪队列。

在进程调度中，FCFS调度算法每次从就绪队列中选择最早进入该队列的进程，将处理机分配给它，使之投入运行，直到完成或因某种缘由而阻塞时才释放处理机。

下面经过一个实例来讲明FCFS调度算法的性能。假设系统中有4个做业，它们的提交时间分别是八、8.四、8.八、9，运行时间依次是二、一、0.五、0.2，系统釆用FCFS调度算法，这组做业的平均等待时间、平均周转时间和平均带权周转时间见表2-3。

表2-3 FCFS调度算法的性能

做业号	提交时间	运行时间	开始时间	等待时间	完成时间	周转时间	带权周转时间
1	8	2	8	0	10	2	1
2	8.4	1	10	1.6	11	2.6	2.6
3	8.8	0.5	11	2.2	11.5	2.7	5.4
4	9	0.2	11.5	2.5	11.7	2.7	13.5

平均等待时间 t = (0+1.6+2.2+2.5)/4=1.575
平均周转时间 T = (2+2.6+2.7+2.7)/4=2.5
平均带权周转时间 W = (1+2.6+5.牡13.5)/4=5.625

FCFS调度算法属于不可剥夺算法。从表面上看，它对全部做业都是公平的，但若一个长做业先到达系统，就会使后面许多短做业等待很长时间，所以它不能做为分时系统和实时系统的主要调度策略。但它常被结合在其余调度策略中使用。例如，在使用优先级做为调度策略的系统中，每每对多个具备相同优先级的进程按FCFS原则处理。

FCFS调度算法的特色是算法简单，但效率低；对长做业比较有利，但对短做业不利（相对SJF和高响应比）；有利于CPU繁忙型做业，而不利于I/O繁忙型做业。

短做业优先(SJF)调度算法

短做业（进程）优先调度算法是指对短做业（进程）优先调度的算法。短做业优先(SJF)调度算法是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的做业，将它们调入内存运行。而短进程优先(SPF)调度算法，则是从就绪队列中选择一个估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它，使之当即执行，直到完成或发生某事件而阻塞时，才释放处理机。

例如，考虑表2-3中给出的一组做业，若系统釆用短做业优先调度算法，其平均等待时间、平均周转时间和平均带权周转时间见表2-4。

表2-4 SJF调度算法的性能

做业号	提交时间	运行时间	开始时间	等待时间	完成时间	周转时间	带权周转时间
1	8	2	8	0	10	2	1
2	8,4	1	10.7	2.3	11.7	3.3	3.3
3	8.8	0.5	10.2	1.4	10.7	1.9	3.8
4	9	0.2	10	1	10.2	1.2	6

平均等待时间 t = (0+2.3+1.4+1)/4=1.175
平均周转时间 T = (2+3.3+1.9+1.2)/4=2.1
平均带权周转时间 W = (1+3.3+3.8+6)/4=3.525

SJF调度算法也存在不容忽视的缺点：

• 该算法对长做业不利，由表2-3和表2-4可知，SJF调度算法中长做业的周转时间会增长。更严重的是，若是有一长做业进入系统的后备队列，因为调度程序老是优先调度那些 (即便是后进来的）短做业，将致使长做业长期不被调度（“饥饿”现象，注意区分“死锁”。后者是系统环形等待，前者是调度策略问题）。
• 该算法彻底未考虑做业的紧迫程度，于是不能保证紧迫性做业会被及时处理。
• 因为做业的长短只是根据用户所提供的估计执行时间而定的，而用户又可能会有意或无心地缩短其做业的估计运行时间，导致该算法不必定能真正作到短做业优先调度。

注意，SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少。

优先级调度算法

优先级调度算法又称优先权调度算法，该算法既能够用于做业调度，也能够用于进程调度，该算法中的优先级用于描述做业运行的紧迫程度。

在做业调度中，优先级调度算法每次从后备做业队列中选择优先级最髙的一个或几个做业，将它们调入内存，分配必要的资源，建立进程并放入就绪队列。在进程调度中，优先级调度算法每次从就绪队列中选择优先级最高的进程，将处理机分配给它，使之投入运行。

根据新的更高优先级进程可否抢占正在执行的进程，可将该调度算法分为：

• 非剥夺式优先级调度算法。当某一个进程正在处理机上运行时，即便有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，仍然让正在运行的进程继续运行，直到因为其自身的缘由而主动让出处理机时（任务完成或等待事件），才把处理机分配给更为重要或紧迫的进程。
• 剥夺式优先级调度算法。当一个进程正在处理机上运行时，如有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，则当即暂停正在运行的进程，将处理机分配给更重要或紧迫的进程。

而根据进程建立后其优先级是否能够改变，能够将进程优先级分为如下两种：

• 静态优先级。优先级是在建立进程时肯定的，且在进程的整个运行期间保持不变。肯定静态优先级的主要依据有进程类型、进程对资源的要求、用户要求。
• 动态优先级。在进程运行过程当中，根据进程状况的变化动态调整优先级。动态调整优先级的主要依据为进程占有CPU时间的长短、就绪进程等待CPU时间的长短。

高响应比优先调度算法

高响应比优先调度算法主要用于做业调度，该算法是对FCFS调度算法和SJF调度算法的一种综合平衡，同时考虑每一个做业的等待时间和估计的运行时间。在每次进行做业调度时，先计算后备做业队列中每一个做业的响应比，从中选出响应比最高的做业投入运行。

响应比的变化规律可描述为：


根据公式可知：

• 看成业的等待时间相同时，则要求服务时间越短，其响应比越高，有利于短做业。
• 当要求服务时间相同时，做业的响应比由其等待时间决定，等待时间越长，其响应比越高，于是它实现的是先来先服务。
• 对于长做业，做业的响应比能够随等待时间的增长而提升，当其等待时间足够长时，其响应比即可升到很高，从而也可得到处理机。克服了饥饿状态，兼顾了长做业。

时间片轮转调度算法

时间片轮转调度算法主要适用于分时系统。在这种算法中，系统将全部就绪进程按到达时间的前后次序排成一个队列，进程调度程序老是选择就绪队列中第一个进程执行，即先来先服务的原则，但仅能运行一个时间片，如100ms。在使用完一个时间片后，即便进程并未完成其运行，它也必须释放出（被剥夺）处理机给下一个就绪的进程，而被剥夺的进程返回到就绪队列的末尾从新排队，等候再次运行。

在时间片轮转调度算法中，时间片的大小对系统性能的影响很大。若是时间片足够大，以致于全部进程都能在一个时间片内执行完毕，则时间片轮转调度算法就退化为先来先服务调度算法。若是时间片很小，那么处理机将在进程间过于频繁切换，使处理机的开销增大，而真正用于运行用户进程的时间将减小。所以时间片的大小应选择适当。

时间片的长短一般由如下因素肯定：系统的响应时间、就绪队列中的进程数目和系统的处理能力。

多级反馈队列调度算法（集合了前几种算法的优势）

多级反馈队列调度算法是时间片轮转调度算法和优先级调度算法的综合和发展，如图2-5 所示。经过动态调整进程优先级和时间片大小，多级反馈队列调度算法能够兼顾多方面的系统目标。例如，为提升系统吞吐量和缩短平均周转时间而照顾短进程；为得到较好的I/O设备利用率和缩短响应时间而照顾I/O型进程；同时，也没必要事先估计进程的执行时间。

图2-5  多级反馈队列调度算法

多级反馈队列调度算法的实现思想以下：

1. 应设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不一样的优先级，第1级队列的优先级最高，第2级队列次之，其他队列的优先级逐次下降。
2. 赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同，在优先级越高的队列中，每一个进程的运行时间片就越小。例如，第2级队列的时间片要比第1级队列的时间片长一倍， ……第i+1级队列的时间片要比第i级队列的时间片长一倍。
3. 当一个新进程进入内存后，首先将它放入第1级队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，即可准备撤离系统；若是它在一个时间片结束时还没有完成，调度程序便将该进程转入第2级队列的末尾，再一样地按FCFS 原则等待调度执行；若是它在第2级队列中运行一个时间片后仍未完成，再以一样的方法放入第3级队列……如此下去，当一个长进程从第1级队列依次降到第 n 级队列后，在第 n 级队列中便釆用时间片轮转的方式运行。
4. 仅当第1级队列为空时，调度程序才调度第2级队列中的进程运行；仅当第1 ~ (i-1)级队列均为空时，才会调度第i级队列中的进程运行。若是处理机正在执行第i级队列中的某进程时，又有新进程进入优先级较高的队列（第 1 ~ (i-1)中的任何一个队列），则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机，即由调度程序把正在运行的进程放回到第i级队列的末尾，把处理机分配给新到的更高优先级的进程。

多级反馈队列的优点有：

• 终端型做业用户：短做业优先。
• 短批处理做业用户：周转时间较短。
• 长批处理做业用户：通过前面几个队列获得部分执行，不会长期得不处处理。