高级调
（作业调度）
|按照某种规则，从后备队列中
选择合适的的作业将其调入内存中，并为其创建进程
| 外存 -> 内存（面向作业） | 最低 | 无 -> 创建态 -> 就绪态 | |中级调度
（内存调度）
|按照某种规则，从挂起队列中
选择合适的的进程将其数据调回内存
| 外存 -> 内存（面向进程） | 中等 | 挂起态 -> 就绪态（阻塞挂起 -> 阻塞态） | | 低级调度（进程调度） |按照某种规则，从就绪队列中
选择一个进程为其分配处理机
| 内存 -> CPU | 最高 | 就绪态 -> 运行态 | ## 3. 进程调度的时机 **需要进行**进程调度与切换的情况 * 当前运行的进程**主动放弃**处理机 * 进程正常终止 * 运行过程中发生异常而终止 * 进程主动请求阻塞（如：等待 I/O） * 当前运行的进程**被动放弃**处理机 * 分给进程的时间片用完 * 有更紧急的事情需要处理（如：I/O 中断） * 有更高优先级的进程进入就绪队列 **不能进行**进程调度与切换的请况 * 在**处理机中断的过程中**。中断处理过程复杂，与硬件密切相关，很难做到在中断处理中进行进程切换 * 进程在**操作系统内核程序临界区**中 * 在**原子操作过程中**（原语）。原子操作不可中断，要一起呵成 ## 4. 进程调度的方式 **非剥夺调度方式**，又称**非抢占方式**。即，只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便有更紧迫的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞态 * 实现简单，系统开销小但是无法及时处理紧急任务，适合于早期的批处理系统 **剥夺调度方式**，又称**抢占方式**。当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要或更紧急的进程需要使用处理机，则立即暂停正在执行的进程，将处理机分配给更重要紧迫的进程 * 可以优先处理更紧急的进程，也可以实现让各进程按时间片轮询执行的功能（通过时钟中断）。适合于分时系统、实时系统 ## 5. 进程的切换 & 过程 “狭义的进程调度”与“进程切换”的区别： * **狭义的进程调度**指的是从就绪队列中**选中一个要运行的进程**。（这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程，也可能是**另一个进程**，后一种情况就需要**进程切换**） * **进程切换**是指一个进程让出处理机，由另一个进程占用处理机的过程 **广义的进程调度**包含了**选择一个进程**和**进程切换**两个步骤 **进程切换的过程**主要完成了： 1. 对原来运行进程各种数据的保存 2. 对新的进程各种数据的恢复（如：程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息，这些信息一般保存在进程控制块） **注意：进程切换是有代价的**，因此如果**过于频繁**的进行进程**调度**、**切换**，必然会使整个**系统的效率降低**，使系统大部分时间都花在了进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少 ## 6. 调度算法的评价指标 ### 6.1 CPU 利用率 **CPU 利用率：**指 CPU “忙碌” 的时间占总时间的比例 $$\begin{aligned} 利用率 = \frac{忙碌的时间}{总时间} \qquad\end{aligned}$$ ### 6.2 系统吞吐量 **系统吞吐量：**单位时间内完成作业的数量 $$\begin{aligned} 系统吞吐量 = \frac{总共完成了多少道作业}{总共花了多少时间} \qquad\end{aligned}$$ ### 6.3 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：**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 周转时间包括四个部分：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 $$（作业）周转时间= 作业完成时间– 作业提交时间$$ $$\begin{aligned} 平均周转时间 = \frac{各作业周转时间之和}{作业数} \qquad \end{aligned}$$ $$\begin{aligned} 带权周转时间 = \frac{作业周转时间}{作业实际运行的时间} \qquad = \frac{作业完成时间 - 作业提交时间}{作业实际运行的时间} \qquad \end{aligned}$$ $$\begin{aligned} 平均带权周转时间 = \frac{各作业带权周转时间之和}{作业数} \qquad \end{aligned}$$ ### 6.4 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 ### 6.5 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 ## 7. 调度算法 各种调度算法研究思路： 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？非抢占式？ 5. 优点 & 缺点 6. 是否会导致**饥饿**（某进程 / 作业长期得不到服务） **无交互** | 算法 | 可抢占？ | 优点 | 缺点 |考虑到等待时间
&
运行时间？
| 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 SJF 的抢占式版本
最短剩余时间有限算法（SRTN）
|最短的
平均等待
/
周转时间
|对长作业不利，可能导致饥饿
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 | | |等待时间 √
运行时间 √
| 不会 | **有交互** | 算法 | 可抢占？ | 优点 | 缺点 | 会导致饥饿？ | 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
或太小有何影响？
| | 优先级调度 |既有抢占式
也有非抢占式
|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 | 抢占式 | 平衡系统（优秀） |一般不说它有缺点
不过可能导致饥饿
| 会 | | ## 8. 先来先服务（FCFS） * **算法思想：**主要从 “公平” 的角度考虑（类似生活中排队买东西） * **算法规则：**按照作业 / 进程达到的先后顺序进行调度，等待时间越久的就越优先得到服务 * **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 ### 例子  ## 9. 短作业优先（SJF） * **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” ### 细节 1. 如果未特别说明，所提到的“短作业/进程优先算法”**默认**是**非抢占式**的 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” 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（如FCFS）， 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 ### 例子（SJF） **短作业/进程优先调度算法：**每次调度时选择**当前已到达**且**运行时间最短**的作业/进程  ### 例子（SRTN） **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**  ## 10. 高响应比优先（HRRN） * **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 * $$\begin{aligned} 响应比 = \frac{等待时间 + 要求服务时间}{要求服务时间} \qquad \end{aligned}$$ * **用于作业 / 进程调度：**既可用于作业调度，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 ### 例子 **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  ## 11. 时间片轮转调度算法（RR） * **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 100 ms）。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：**只用于进程调度（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 ### 时间片太大或太小分别有什么影响？ 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** ### 例子  ## 12. 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，还会用于在之后会学习的 I/O 调度中 * **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 * **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 ### 重点： 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 I/O 型进程**（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 **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 ### 例子（非抢占式）  ### 例子（抢占式）  ## 13. 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：** 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 * **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/0 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 ### 例子 