进程调度

一个进程在生命周期中一般会存在 5 种状态,包括 new(创建)、ready(就绪)、running(运行)、waiting(等待)和 terminal(终止)。
而操作系统中的 scheduler(调度程序)就负责进程在这几个状态的转变。

调度类型

典型的调度类型分为长程调度、中程调度和短程调度。

  • 短程调度(进程调度或低级调度):负责从就绪队列中选择一个进程执行。
  • 中程调度(中级调度):为了使内存中同时存放的进程数目不至于太多,有时需要把某些进程从内存中移到外存中,以减少多道程序的数目。
  • 长程调度(作业调度或高级调度):新提交的作业被输入到外存,并保存到批处理后备队列中。高级调度从后备队列中选出若干作业,分配必要的资源,建立相应的用户作业进程和为其服务的系统进程,最后把它们的程序和数据调入内存,等待 scheduler 对其进行调度。

几个时间的概念

  1. 周转时间:进程从创建到结束运行所经历的时间
              周转时间 = 完成时间 - 到达时间
  2. 平均周转时间:n 个进程的周转时间的平均值
              平均周转时间 = n 个进程的周转时间 / n
  3. 带权周转时间:进程的周转时间与系统为其服务时间之比
              带权周转时间 = 周转时间 / 服务时间
  4. 等待时间:指进程处于等待处理机状态时间之和。
              等待时间=周转时间 — 服务时间(运行时间)
  5. 平均等待时间:n 个进程的等待时间的平均值
              平均等待时间 = n 个进程的等待时间 / n
  6. 运行时间 / 服务时间:完成进程所需要占用 CPU 的时间

调度算法

  1. 先来先服务(FCFS,First Come First Served)
    在所有调度算法中,最简单的是非抢占式的 FCFS 算法。
    原理
    进程按照它们请求 CPU 进行调度,不会中断它。如果在执行过程中需要等待资源,下一个排队的就补上。当这个进程的资源就绪时,只能排到队尾。
    特点
    易于理解且实现简单,只需要一个队列,且相当公平。比较有利于长进程,而不利于短进程有利于 CPU 繁忙的进程,而不利于 I/O 繁忙的进程

  2. 最短作业优先(SJF,Shortest Job First)
    又称为短进程优先(SPN,Shortest Process Next),这是对 FCFS 算法的改进。
    原理
    对预计执行时间短的进程优先分派 CPU。通常后来的短进程不抢正在执行的进程。
    特点
    改善平均周转时间和平均带权周转时间,缩短进程的等待时间,提高系统的吞吐量。对长进程非常不利,可能长时间得不到执行,且未能依据进程的紧迫程度来划分执行的优先级,以及难以准确估计进程的执行时间,从而影响调度性能。

  3. 最高响应比优先法(HRRN,Highest Response Ratio Next)
    对 FCFS 方式和 SJF 方式的一种平衡。同时考虑每个作业的等待时间长短和估计需要的执行时间长短,从中选出响应比最高的作业投入执行。
    原理
    响应比定义如下:R = (W+T)/T = 1+W/T
    其中 T 为该作业估计需要的执行时间,W为作业在后备队列中的等待时间。每当要进行作业调度时,系统计算每个作业的响应比,选择其中 R 最大者投入执行。
    特点
    长作业也有机会投入运行。由于每次调度前要计算响应比,系统开销也要相应增加。

  4. 时间片轮转算法(RR,Round-Robin)
    该算法采用剥夺策略。每个进程被分配一个时间段,称作它的时间片,即该进程允许运行的时间。
    原理
    让就绪进程以 FCFS 的方式按时间片轮流使用 CPU,即每次调度时将 CPU 分派给队首进程,让其执行一个时间片。在一个时间片结束时,发生时钟中断,调度程序暂停当前进程的执行,将其送到就绪队列的末尾,并通过上下文切换执行当前的队首进程。进程也可以未使用完一个时间片,就出让CPU(如阻塞)。
    特点:
    时间片轮转调度算法的特点是简单易行、平均响应时间短不利于处理紧急作业。在时间片轮转算法中,时间片的大小对系统性能的影响很大,因此时间片的大小应选择恰当。

  5. 多级反馈队列(Multilevel Feedback Queue)
    多级反馈队列调度算法是一种 CPU 处理机调度算法,UNIX 操作系统采取的便是这种调度算法。
    原理
    1)进程在进入待调度的队列等待时,首先进入优先级最高的 Q1 等待
    2)首先调度优先级高的队列中的进程。若高优先级中队列中已没有调度的进程,则调度次优先级队列中的进程。
    3)对于同一个队列中的各个进程,按照时间片轮转法调度
    4)在低优先级的队列中的进程在运行时,又有新到达的作业,那么在运行完这个时间片后,CPU 马上分配给新到达的作业(抢占式)。
    特点
    在多级反馈队列调度算法中,如果规定第一个队列的时间片略大于多数人机交互所需之处理时间时,便能够较好的满足各种类型用户的需要。

引起进程调度的原因:

  1. 正在执行的进程执行完毕。这时,如果不选择新的就绪进程执行,将浪费 CPU 资源。
  2. 执行中进程自己调用阻塞原语将自己阻塞起来进入睡眠等状态。
  3. 执行中进程调用了 P 原语操作,从而因资源不足而被阻塞;或调用了 V 原语操作激活了等待资源的进程队列。
  4. 执行中进程提出 I/O 请求后被阻塞
  5. 在分时系统中时间片已经用完。
  6. 在执行完系统调用等系统程序后返回用户进程时,这时可看作系统进程执行完毕,从而可调度选择一新的用户进程执行。

以上都是在不可剥夺方式下的引起进程调度的原因。在 CPU 执行方式是可剥夺时,还有:

  1. 就绪队列中的某进程的优先级变得高于当前执行进程的优先级,从而也将引发进程调度。
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