2.2_5 调度算法

文章目录

  • 2.2_5 调度算法
  • 一、适用于早期的批处理系统
    • (一)先来先服务(FCFS,First Come First Serve)
    • (二)短作业优先(SJF,Shortest Job First)
    • (三)高响应比优先(HRRN,Highest Response Ratio Next)
  • 总结
  • 二、适用于交互式系统
    • (一)时间片轮转(RR,Round-Robin)
    • (二)优先级调度算法
    • (三)多级反馈队列调度算法
  • 总结
  • 三、多级队列调度算法

2.2_5 调度算法

注意:各种调度算法的学习思路如下。

1.算法思想

2.算法规则

3.这种调度算法是用于作业调度还是进程调度

4.抢占式 or 非抢占式?

5.优点 or 缺点?

6.是否会导致饥饿

饥饿:指某进程/作业长期得不到服务。

一、适用于早期的批处理系统

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(一)先来先服务(FCFS,First Come First Serve)

FCFS

1.算法思想

  主要从“公平”的角度考虑。(类似于我们生活中排队买东西的例子)

2.算法规则

  按照作业/进程到达的先后顺序进行服务

3.用于作业/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。

4.是否可抢占?

  非抢占式的算法

5.优缺点

  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,对短作业来说用户体验不好。即,FCFS算法对长作业有利,对短作业不利

6.是否会导致饥饿

  不会。

例子

  各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用先来先服务调度算法,计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间。

进程到达时间运行时间
P107
P224
P341
P454

  先来先服务算法:按照到达的先后顺序调度,事实上就是等待时间越久的越优先得到服务。

  因此,调度顺序为:P1 —> P2 —> P3 —> P4。

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答:

  1.周转时间 = 完成时间 - 到达时间

P1=7-0=7;P2=11-2=9;P3=12-4=8;P4=16-5=11

  2.带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间

P1=7/7=1;P2=9/4=2.25;P3=8/1=8;P4=11/4=2.75

注意:带权周转时间就是周转时间是实际运行时间的多少倍。而P3这个进程的带权周转时间是8,也就意味着P3这个用户的体验其实是非常糟糕的。

  3.等待时间 = 周转时间 - 运行时间

:对本题而言,可以这样计算等待时间。原因在于,本题中的进程都是纯计算型(即:只需要CPU)的进程,一个进程到达后要么在等待、要么在运行。如果是又有计算、又有I/O操作的进程,其等待时间就是周转时间 - 运行时间 - I/O操作的时间

P1=7-7=0;P2=9-4=5;P3=8-1=7;P4=11-4=7

  4.平均周转时间 = (7+9+8+11) / 4 = 8.75

  5.平均带权周转时间 = (1+2.25+8+2.75) / 4 = 3.5

  6.平均等待时间 = (0+5+7+7) / 4 = 4.75

(二)短作业优先(SJF,Shortest Job First)

SJF

1.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。

2.算法规则

  最短的作业/进程优先得到服务(所谓“最短”,是指要求服务时间最短)

3.用于作业/进程调度

  既可用于作业调度,也可用于进程调度。

  但用于进程调度时,名称要换一下,称为“短进程优先(SPF,Shortest Process First)算法”。

4.是否可抢占?

  SJF和SPF是非抢占式的算法。

  但是也有抢占式的版本——最短剩余时间优先算法(SRTN,Shortest Remaining Time Next)。

5.优缺点

  优点:“最短的”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。可能产生饥饿现象。另外,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。

6.是否会导致饥饿

  会。如果源源不断地有短作业/进程到来,可能使长作业/进程长时间得不到服务,产生“饥饿”现象。如果一直得不到服务,则称为“饿死”。

例子1

  各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用非抢占式的短作业优先调度算法,计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间。

注:严格来说,用于进程调度,它的算法名称应该叫做“短进程优先调度算法(SPF)”,不用在意这个细节,算法本质都是一样的。

进程到达时间运行时间
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P224
P341
P454

  短作业/进程优先调度算法:每次调度时选择当前已到达运行时间最短的作业/进程。

  因此,调度顺序为:P1 —> P3 —> P2 —> P4。

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答:

  1.周转时间 = 完成时间 - 到达时间

P1=7-0=7;P3=8-4=4;P2=12-2=10;P4=16-5=11

  2.带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间

P1=7/7=1;P3=4/1=4;P2=10/4=2.5;P4=11/4=2.75

  3.等待时间 = 周转时间 - 运行时间

P1=7-7=0;P3=4-1=3;P2=10-4=6;P4=11-4=7

  4.平均周转时间 = (7+4+10+11) / 4 = 8

  5.平均带权周转时间 = (1+4+2.5+2.75) / 4 = 2.56

  6.平均等待时间 = (0+3+6+7) / 4 = 4

注意:对比FCFS算法的结果,显然SPF算法的平均等待/周转/带权周转时间都要更低。

例子2

  各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用抢占式的短作业优先调度算法,计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间。

注:抢占式的短作业优先算法又称“最短剩余时间优先算法”(SRTN)

进程到达时间运行时间
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  最短剩余时间优先算法: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(即:一个进程主动放弃处理机的时候)。

  需要注意的是,当有新进程到达时就绪队列就会改变,就要按照上述规则进行检查。

image-20240301212200453

  以下Pn(m)表 示当前Pn进程剩余时间为m。各个时刻的情况如下:

  0时刻(P1到达):P1(7)

  2时刻(P2到达):P1(5)、P2(4)

  4时刻(P3到达):P1(5)、P2(2)、P3(1)

  5时刻(P3完成且P4刚好到达):P1(5)、P2(2)、P4(4)

  7时刻(P2完成):P1(5)、P4(4)

  11时刻(P4完成) :P1(5)

答:

  1.周转时间 = 完成时间 - 到达时间

P1=16-0=16;P2=7-2=5;P3=5-4=1;P4=11-5=6

  2.带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间

P1=16/7=2.28;P2=5/4=1.25;P3=1/1=1;P4=6/4=1.5

  3.等待时间 = 周转时间 - 运行时间

P1=16-7=9;P2=5-4=1;P3=1-1=0;P4=6-4=2

  4.平均周转时间 = (16+5+1+6)/4 = 7

  5.平均带权周转时间 = (2.28+1.25+1+1.5)/4 = 1.50

  6.平均等待时间 = (9+1+0+2)/4 = 3

注意:对比非抢占式的短作业优先算法,显然抢占式的这几个指标又要更低


  对于“短作业优先”,注意几个小细节:

  1.如果题目中未特别说明,所提到的“短作业/进程优先算法”默认非抢占式的。

  2.很多书上都会说“SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”。

  严格来说,这个表述是错误的、不严谨的。之前的例子已经表明,最短剩余时间优先算法得到的平均等待时间、平均周转时间还要更少。

  因此,严谨来说,应该说“抢占式的短作业/进程优先调度算法(最短剩余时间算法,SRNT算法)的平均等待时间、平均周转时间最少”。

  或者加上前提条件(从而削弱抢占式的优势),说:“在所有进程同时可运行时(或:在所有进程都几乎同时到达时),采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”。

  3.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,但相比于其他算法,SJF依然可以获得较少的平均等待时间、平均周转时间。

  4.如果选择题中遇到“SJF算法的平均等待时间、平均周转时间最少”的选项,那最好先判断其他选项是不是有很明显的错误,灵活做出判断。

(三)高响应比优先(HRRN,Highest Response Ratio Next)

  对FCFS和SJF两种算法的思考:

  1.FCFS算法是在每次调度的时候选择一个等待时间最长的作业(进程)为其服务。但是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。

  2.SJF算法是选择一个执行时间最短的作业为其服务。但是又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,甚至还会造成饥饿问题。

  那么,能不能设计一个算法,既考虑到各个作业的等待时间,也能兼顾运行时间呢?——高响应比优先算法。

1.算法思想

  要综合考虑作业/进程的等待时间和要求服务的时间。

2.算法规则

  在每次调度时先计算各个作业/进程的响应比,选择响应比最高的作业/进程为其服务。
响 应 比 = 等 待 时 间 + 要 求 服 务 时 间 要 求 服 务 时 间 响应比=\frac{等待时间+要求服务时间}{要求服务时间} =+

注:由公式可见,响应比≥1。

3.用于作业/进程调度

  既可以用于作业调度,也可用于进程调度。

4.是否可抢占?

  非抢占式的算法。因此只有当前运行的作业/进程主动放弃处理机时,才需要调度,才需要计算响应比。

5.优缺点

  综合考虑了等待时间和运行时间(要求服务时间)。

  等待时间相同时,要求服务时间短的优先(SJF的优点)。

  要求服务时间相同时,等待时间长的优先(FCFS的优点)。

  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。

6.是否会导致饥饿

  不会。

例子

  各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用高响应比优先调度算法,计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间。

进程到达时间运行时间
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P341
P454

  高响应比优先算法:非抢占式的调度算法,只有当前运行的进程主动放弃CPU时(正常/异常完成,或主动阻塞),才需要进行调度,调度时计算所有就绪进程的响应比,选响应比最高的进程上处理机。
响 应 比 = 等 待 时 间 + 要 求 服 务 时 间 要 求 服 务 时 间 响应比=\frac{等待时间+要求服务时间}{要求服务时间} =+
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答:

  0时刻:只有P1到达就绪队列,P1上处理机

  7时刻(P1主动放弃CPU):就绪队列中有P2(响应比=(5+4)/4=2.25)、P3((3+1)/1=4)、P4((2+4)/4=1.5)

注意:从严格的计算结果来比较,没问题。但也可以从公式理解的方面去考虑,而不必计算出具体结果。如,在7时刻想要比较P2和P4的响应比,应该注意到,P2和P4要求服务的时间一样,但P2此时等待时间长,因此必然是P2的响应比更大。

  8时刻(P3完成):P2(2.5)、 P4(1.75)

  12时刻(P2完成):就绪队列中只剩下P4

总结

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注意:这几种算法主要关心对用户的公平性、平均周转时间、平均等待时间等评价系统整体性能的指标,但是不关心“响应时间”,也并不区分任务的紧急程度,因此对用户来说,交互性很糟糕。因此这三种算法一般适合用于早期的批处理系统。当然,FCFS算法也常结合其他的算法使用,在现在也扮演着很重要的角色。

早期的计算机CPU也比较昂贵,因此主要注重的是系统整体性能表现,并不注重用户感受,也是情有可原的。

  而适合用于交互式系统的调度算法将在后面介绍。

二、适用于交互式系统

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(一)时间片轮转(RR,Round-Robin)

1.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。

  其实是伴随着分时操作系统出现的一种思想。

2.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(如100ms)。若进程未在一个时间片内执行完,则剥夺处理机,将进程重新放到就绪队列队尾重新排队。

  时间片的长短,具体看系统,有的系统长、有的系统短,甚至有的系统的时间片长短是动态调整的。

3.用于作业/进程调度

  用于进程调度。

  因为所谓“时间片”,指的是处理机的时间片,而一个作业只有被放入内存并建立相关PCB后,只有作为进程,它才有可能被分配处理机的时间片。

4.是否可抢占

  若进程未能在时间片内运行完,将被强行剥夺处理机使用权,因此时间片轮转调度算法属于抢占式的算法。由时钟装置发出时钟中断来通知CPU时间片已到。

5.优缺点

  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。

6.是否会导致饥饿

  不会。

7.补充

  时间片太大或太小,分别会造成影响。时间片太大,会使进程响应时间过长;时间片太小,会使进程切换的开销占比过大。

例子

  各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用时间片轮转调度算法,分析时间片大小分别是2、5时的进程运行情况。

  注意:“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等指标。

进程到达时间运行时间
P105
P224
P341
P456

答1:

  时间片大小2时。

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  :以下括号内表示当前时刻就绪队列中的进程,以及进程的剩余时间。用箭头表示队列,左边是队头、右边是队尾

  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

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  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。

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  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)

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  说明:

  1.之所以讨论5时刻时的情况,是因为在这一时刻,P4进程到达了。

  2.但是在5时刻,P1只运行了1单位的时间,时间片还没有用完。因此P1还处于执行状态,并不会被剥夺处理机,因此P1并不会出现在就绪队列当中。

  3.接下来P1会把自己的时间片执行完,即6时刻的时候,再继续讨论。

  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。

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  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。

  注意:虽然时间片大小为2,但如果进程本身只需运行1个单位的时间(如进程P3),同样也会发生调度。只不过此时不是P3被剥夺处理机,而是P3进程主动放弃处理机

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  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紧接着运行一个时间片。

  16时刻:所有进程运行结束。

答2:

  时间片大小5时。

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  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。

  此时,分析——若按照先来先服务调度算法:

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  会发现,它的执行过程,与时间片大小为5的时间片轮转调度算法是类似的。

  结论: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

  另一方面,进程调度、切换是有代价的(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

  说明1:什么叫“增大进程响应时间”?

  答: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。而如果时间片为10ms,则一个进程被响应可能需要等90ms。

  说明2:如何定义“时间片太小”?

  答: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

1.算法思想

  随着计算机的发展,特别是实时操作系统的出现,越来越多的应用场景需要根据任务的紧急程度来决定处理顺序。

2.算法规则

  每个作业/进程有各自的优先级,调度时选择优先级最高的作业/进程。

3.用于作业/进程调度

  既可用于作业调度,也可用于进程调度。甚至,还会用于在之后学习的I/O调度中。

4.是否可抢占

  抢占式、非抢占式都有。

  区别在于:非抢占式只需在进程主动放弃处理机时进行调度既可;而抢占式还需在就绪队列发生变化时,检查是否会发生抢占。

5.优缺点

  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。

6.是否会导致饥饿

  会。

例子1

  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)

  说明:有的题目当中,也可能规定为——优先数越小,优先级越高。所以对于优先数的概念,要具体读题目条件。

进程到达时间运行时间优先数
P1071
P2242
P3413
P4542

答:

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  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。

例子2

  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。使用抢占式优先级调度算法,分析进程运行情况。(注:优先数越大,优先级越高)

进程到达时间运行时间优先数
P1071
P2242
P3413
P4542

  注意,抢占式的优先级调度算法:每次调度时选择当前已到达优先级最高的进程。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否会发生抢占。

image-20240303164532316

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。

11时刻(P1 ):P4完成,P1上处理机。

16时刻():P1完成,所有进程均完成。


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。

问题1:如何合理地设置各类进程的优先级?

  通常的原则:

  1.系统进程优先级 高于 用户进程

  2.前台进程优先级 高于 后台进程

  3.操作系统更偏好I/O型进程(或称I/O繁忙型进程)

说明:与I/O型进程相对的是计算型进程(或称CPU繁忙型进程)。

说明:为什么偏好I/O型进程?——已知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。

问题2: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I/O操作,则可适当提升其优先级。

  (有点类似于“高响应比优先”算法中的响应比的概念。可以理解为,“响应比”就是一种“动态优先级”。)

(三)多级反馈队列调度算法

思考

  FCFS算法的优点是公平;

  SJF算法的优点是能尽快处理完短作业,平均等待/周转时间等参数很优秀;

  时间片轮转调度算法可以让各个进程得到及时的响应;

  优先级调度算法可以灵活地调整各种进程被服务的机会。

  那么,能否对这些算法做个折中权衡,得到一个综合表现优秀平衡的算法呢?——多级反馈队列调度算法。

1.算法思想

  对其他调度算法的折中权衡。

2.算法规则

  1)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。

  2)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。如果此时已经是在最下级的队列,则重新放回该队列队尾。

  3)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。

3.用于作业/进程调度

  用于进程调度。

4.是否可抢占

  抢占式的算法。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,则由于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。

  注:在实现的过程中,其实是可以将其实现为非抢占式的版本,但以教材上为准,认为它是一个抢占式的算法。

5.优缺点

  对各类进程相对公平(FCFS的优点);

  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以完成(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(说明:可将因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)。

6.是否会导致饥饿

  会。

例子

  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。

进程到达时间运行时间
P108
P214
P351

答:

  设置多级就绪队列,各级队列优先级高到低时间片小到大

image-20240303213106917

  新进程到达时先进入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。

例子

image-20240303213345042

  如图,0时刻P1到达,进入第1级队列队尾。P1上处理机运行1个单位的时间(因为第1级队列的时间片就是1)。之后,由于P1进程还未运行完,因此P1进入第2级队列队尾。

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  此时为1时刻,因此P2同时会到达。此时,由于更高级别(即:第1级)的队列中还有进程没处理完,因此暂时不会处理更低级别(即:第2级)的队列。

  因此,1时刻会选择P2上处理机运行。同样地,P2运行的时间片大小为1个单位时间。此外,P2运行后,会被放到下一级队列的队尾。

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  在2时刻,由于第1级队列为空了(更高级的队列为空),所以会对第2级队列进行调度(才会对更低级的队列进行调度)。

  因此,此时选择第2级队列队头的进程上处理机运行一个时间片,即P1进程上处理机运行2个单位的时间。

  同理,P1执行完一个时间片后,P1进程还没运行结束,因此会被放到第3级队列中。

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  此时,先处理较高级别队列中的进程,因此会让P2上处理机运行。

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  需要注意的是,在P2还未执行满一个时间片的时刻5的时候,此时进程P3到达,P3进入第1级队列。

  由于此时有更高优先级的进程到达,所以会发生抢占处理机的情况,所以此时P2进程会被剥夺处理机,但是P2并不是放到下一级队列,而是放回原级队列的队尾

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  5时刻,P3抢占地上处理机运行。运行完1个单位的时间之后,刚好进程P3也运行完毕,所以P3执行完成后就可以调出内存了。

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  6时刻,又是P2继续运行。由于在这之前P2已经总共运行了2个单位的时间(在第1级队列中运行了一个时间片 + 在第2级队列中运行了半个时间片时被剥夺),所以在这次,P2上处理机运行完一个时间片后,就可以运行完毕,调出内存了。

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  8时刻,让进程P1上处理机运行(注:P1在这之前,已运行了共计3个单位的时间)一个时间片,即运行了4个单位的时间。由于P1进程还没有运行完,因此按理说应该往更低1级的队列去放入,但此时已经没有更低级别的队列了,P1也已经没办法再往下放了,因此它只会被重新放回最低级队列的队尾,再次等待被调度。

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  12时刻,P1被调度,运行1个单位的时间后,P1完成,并调出内存。

总结

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  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)

三、多级队列调度算法

  系统中按进程类型设置多个队列,进程创建成功后插入某个队列。

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  :最上面那个队列优先级最高,往下依次降低。

  说明:为什么图中这样设置各个进程的优先级。

  首先,系统进程的优先级最高,这无可厚非。

  另外,交互式进程需要得到比较及时的响应和反馈(如打游戏、打字的时候,你当然希望你的键盘/鼠标点下去之后就立即得到一个反馈),因此显然需要被赋予更高的优先级,这样才能更快地响应用户的请求。

  最后,批处理进程的优先级较低,这个就很好理解了,例如模型训练、视频渲染,这种进程的优先级稍设置的低一些,对用户的体验来说也并没有那么糟糕。

问题1:每次调度应该选中哪个队列?

  队列之间可采取固定优先级,或时间片划分。

  1.固定优先级:高优先级空时,低优先级进程才能被调度。

  注:这其实是不太合理的。比如用户现在正在打字,但是只要系统进程有一个在就绪队列里面,那你这个打字的动作就一直不会被响应,用户体验就会很糟糕。

  2.时间片划分:如三个队列分配时间50%、40%、10%。

  说明:比如一个时间片的长度为100ms。在这一个时间片的时间段中,前50ms先被用来处理系统进程队列中间40ms被用来处理交互式进程队列最后10ms被用来处理批处理进程队列

  这种方法可以保证,在固定的一段时间内,任何类型的进程都至少被响应一次。

问题2:在选定某个队列后,该队列中如此多的同类型进程,该选哪个进行调度?

  各队列可采用不同的调度策略。

  如:

  系统进程队列采用优先级调度。那么,谁的优先级更高、谁更紧急,我就先处理谁。

  交互式队列采用RR。时间片轮转调度算法可以保证,各个交互式进程在较短的一个时间周期内,都可以至少被响应1次。

  批处理队列采用FCFS。

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