进程调度算法¶

调度算法的评价指标¶

CPU利用率¶

由于早期的CPU造价极其昂贵，因此人们会希望**让CPU尽可能多地工作**

CPU利用率：指CPU “忙碌”的时间占总时间的比例。

利用率 = 忙碌的时间/总时间

Tips: 有的题目还会要求计算某种设备的利用率

Eg：某计算机只支持单道程序，某个作业刚开始需要在CPU上运行5秒，再用打印机打印输出5秒，之后再执行5秒，才能结束。在此过程中，

CPU利用率、打印机利用率分别是多少？

CPU利用率 = ( 5+5 ) / ( 5+5+5 ) = 66.66%

打印机利用率 = 5 / 15 = 33.33%

Tips: 通常会考察多道程序并发执行的情况，可以用“甘特图”来辅助计算

系统吞吐量¶

对于计算机来说，希望能用尽可能少的时间处理完尽可能多的作业

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量

系统吞吐量=总共完成了多少道作业 / 总共花了多少时间

Eg：某计算机系统处理完10道作业，共花费100秒，则系统吞吐量为？

10 / 100 = 0.1 道/秒

周转时间¶

对于计算机的用户来说，他很关心自己的作业从提交到完成花了多少时间。

周转时间，是指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。

它包括四个部分：作业在外存后备队列上等待作业调度（高级调度）的时间、进程在就绪队列上等待进程调度（低级调度）的时间、进程在CPU上执行的时间、进程等待I/O操作完成的时间。后三项在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次。

（作业）周转时间= 作业完成时间 – 作业提交时间

【对于用户来说，更关心自己的单个作业的周转时间】

平均周转时间 = 各作业周转时间之和 / 作业数

【对于操作系统来说，更关心系统的整体表现，因此更关心所有作业周转时间的平均值】

带权周转时间 = 作业周转时间 / 作业实际运行的时间 = ( 作业完成时间 – 作业提交时间 ) / 作业实际运行的时间

【带权周转时间与周转时间都是越小越好】

平均带权周转时间 = 各作业带权周转时间之和 / 作业数

【对于周转时间相同的两个作业，实际运行时间长的作业在相同时间内被服务的时间更多，带权周转时间更小，用户满意度更高。】

【对于实际运行时间相同的两个作业，周转时间短的带权周转时间更小，用户满意度更高】

等待时间¶

计算机的用户希望自己的作业尽可能少的等待处理机

等待时间，指进程/作业处于等待处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。

对于进程来说，等待时间就是指进程建立后**等待被服务的时间之和**，在等待I/O完成的期间其实进程也是在被服务的，所以不计入等待时间。

对于作业来说，不仅要考虑建立进程后的等待时间，还要加上作业在外存后备队列中等待的时间。

一个作业总共需要被CPU服务多久，被I/O设备服务多久一般是确定不变的，因此调度算法其实只会影响作业/进程的等待时间。当然，与前面指标类似，也有“平均等待时间”来评价整体性能。

响应时间¶

对于计算机用户来说，会希望自己的提交的请求（比如通过键盘输入了一个调试命令）尽早地开始被系统服务、回应。

响应时间，指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。

先来先服务算法（FCFS, First Come First Serve）¶

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）

算法规则¶

按照作业/进程到达的先后顺序进行服务

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

是否可抢占¶

非抢占式的算法

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（Eg ：排队买奶茶…）

是否会导致饥饿¶

不会

例题¶

短作业优先算法（SJF, Shortest Job First）¶

算法思想¶

追求最少的平均等待时间，最少的平均周转时间、最少的平均平均带权周转时间

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）

用于作业/进程调度¶

即可用于作业调度，也可用于进程调度。用于进程调度时称为“短进程优先（SPF, Shortest Process First）算法”

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）

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

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”

例题¶

注意细节¶

如果题目中未特别说明，所提到的“短作业/进程优先算法”默认是非抢占式的
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应该加上一个条件“在所有进程同时可运行时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”；

或者说“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”；

如果不加上述前提条件，则应该说“抢占式的短作业/进程优先调度算法（最短剩余时间优先, SRNT算法）的平均等待时间、平均周转时间最少”

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（如FCFS），SJF依然可以获得较少的平均等待时间、平均周转时间
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，那最好判断其他选项是不是有很明显的错误，如果没有更合适的选项，那也应该选择该选项。

高响应比优先算法（HRRN,Highest Response Ratio Next）¶

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

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

用于作业/进程调度¶

即可用于作业调度，也可用于进程调度

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

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

是否会导致饥饿¶

不会

例题¶

FCFS、SJF、HRRN对比¶

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，因此对于用户来说，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。

时间片轮转算法（RR, Round-Robin）¶

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

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。

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）

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

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。

是否会导致饥饿¶

不会

例题¶

注意细节¶

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就会退化成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。【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%】

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。所以时间片也不能太小。

【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】

优先级调度算法¶

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

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

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，还会用在I/O调度中

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。

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

是否会导致饥饿¶

会

例题¶

补充细节¶

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？¶

一般来说，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I/O型进程（或称I/O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】

注：与I/O型进程相对的是计算型进程（或称CPU繁忙型进程）。

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

多级反馈队列调度算法¶

算法思想¶

对其他调度算法的折中权衡

算法规则¶

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。如果此时已经是在最下级的队列，则重新放回该队列队尾
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

用于作业/进程调度¶

用于进程调度

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。

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（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）

是否会导致饥饿¶

会

例题¶

时间片轮转算法，优先级调度算法，多级反馈队列调度算法三种算法对比¶

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）