进程调度算法之时间片轮转调度(RR)，优先级调度以及多级反馈队列调度

1.时间片轮转调度算法(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。

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。

3.用于作业/进程调度

用于进程调度
（只有作业放入内存建立了相应的进程后，才能被分配处理机时间片)

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.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。
使用时间片轮转调度算法，分析时间片大小分别是2、5时的进程运行情况。
在这里插入图片描述
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)

1.时间片大小为2的情况：
（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)
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
2.时间片大小为5的情况：
在这里插入图片描述

  • 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%。

2.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，还会用于在之后会学习的I/O调度中

4.是否可抢占

抢占式、非抢占式都有。
做题时的区别在于:
非抢占式只需在进程主动放弃处理机时进行调度即可,
而抢占式还需在就绪队列变化时，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

7.例题

1.题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)
在这里插入图片描述
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。
在这里插入图片描述
2.题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）
在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

  1. 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.
  2. 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。
  3. 静态优先级:创建进程时确定，之后一直不变。
  4. 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。

8.如何合理设置各类进程的优先级：

  • 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I/O繁忙型进程)
  • 与l/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.

9.如果采用动态优先级，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

3.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
  4. 被抢占处理机的进程重新放回原队列队尾

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。

5.优缺点

对各类型进程相对公平(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完成(SPF的优点）;
不必实现估计进程的运行时间（避免用尸作假）;
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
（拓展:可以将因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

7.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。
在这里插入图片描述
根据算法规则：
在这里插入图片描述
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）

4.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。
在这里插入图片描述

1.队列之间可采取固定优先级，或时间片划分

  • 固定优先级:高优先级空时低优先级进程才能被调度
  • 时间片划分:如三个队列分配时间50%、40%、10%

2.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
  • 交互式队列采用RR
  • 批处理队列采用FCFS

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