Skip to content

Latest commit

 

History

History
196 lines (161 loc) · 13.5 KB

46 进程管理4-调度算法.md

File metadata and controls

196 lines (161 loc) · 13.5 KB

#操作系统

[18] FCFS、SJF、HRRN调度算法

★ 调度算法的关注重点

  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. 算法属于抢占式？非抢占式？
  5. 算法的优点和缺点
  6. 是否会导致饥饿（某进程/作业长期得不到服务）？

1. FCFS 先来先服务算法（First Come First Serve）

  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。 以如下的例子，四个进程按照顺序进入处理机计算，其周转时间、带权周转时间和等待时间如图。

注意：本例中的进程都是纯计算型的进程，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

  1. 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。
  2. 是否会导致饥饿 ？ 不会。

2. SJF/ SPF 短作业/短进程优先（Shortest Job/Process First）

  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 可用于作业调度，也可用于进程调度。 用于作业调度，称为“短作业优先（SJF，Shortest Job First）算法” 用于进程调度，称为“短进程优先（SPF，Shortest Process First）算法”
  4. 是否可抢占？ SJF和SPF均为非抢占式的算法。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。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。
  1. 是否会导致饥饿 ？ 可能产生饥饿现象。另外，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”。

以如下的例子，四个进程按照顺序进入处理机计算，使用非抢占式的短进程优先调度算法（SPF，Shortest Process First），其周转时间、带权周转时间和等待时间如图。

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。

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。

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。 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。

3. HRRN 高响应比优先（Highest Response Ratio Next）

  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。 $$响应比 = \frac{等待时间+要求服务时间}{要求服务时间}$$

  3. 用于作业/进程调度 可用于作业调度，也可用于进程调度。

  1. 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。
  2. 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。
  1. 是否会导致饥饿 ？ 不会。

总结

算法 是否可抢占 优点 缺点 是否考虑等待时间和运行时间 是否会导致饥饿
FCFS 非抢占式 公平；实现简单 对短作业不利 等待时间√ 运行时间× 不会
SJF/SPF 默认为非抢占式，也有抢占式版本（SRTN算法） “最短的”平均等待/周转时间 对长作业不利，难以做到真正的短作业优先 等待时间× 运行时间√ 会
HRRN 非抢占式 上述两种算法的权衡折中，综合考虑的等待时间和运行时间 等待时间√ 运行时间√ 不会

以上这三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。

[19] 调度算法：时间片轮转、优先级、多级反馈队列

1. 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。
  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？ 抢占式的算法。 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。
  1. 是否会导致饥饿 ？ 不会。

如上图，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。

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。 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。 因此，一般而言，设计时间片时要让切换进程的开销占比不要超过1%。

2. 优先级调度算法（Priority Scheduling）

  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。 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。

★ 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。

  • 优先级设定：
  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） 注：与I/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。
  • 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：

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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
  1. 是否会导致饥饿 ？ 会。

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
  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。

  1. 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）
  2. 是否会导致饥饿 ？ 会。

调度算法总结

算法 思想 是否可抢占 优点 缺点 是否会饥饿 补充
时间片轮转 抢占式 公平，适用于分时系统 频繁切换有开销，不区分优先级 不会 时间片太大或太小有重要影响？
优先级调度 有抢占式的，也有非抢占式的。 区分优先级，适用于实时系统 可能导致饥饿 会 动态/静态优先级。各类型进程如何设置优先级？如何调整优先级？
多级反馈队列 较复杂 抢占式 平衡优秀 一般不说它有缺点，不过可能导致饥饿 会

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）。