前言

什么是調(diào)度算法

在操作系統(tǒng)中調(diào)度是指一種資源分配的過程，因而調(diào)度算法是指：根據(jù)系統(tǒng)的資源分配策略所規(guī)定的資源分配算法。對于不同的的系統(tǒng)和系統(tǒng)目標(biāo)，通常采用不同的調(diào)度算法

為什么需要調(diào)度算法

計算機(jī)系統(tǒng)中的CPU資源非常寶貴，為了充分利用其資源，讓多線程或者多進(jìn)程系統(tǒng)能夠多快好省地完成我們讓它做的各種任務(wù)，就需要指定一定的規(guī)則去使用CPU。為此，可在內(nèi)存中可存放數(shù)目遠(yuǎn)大于計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)CPU個數(shù)的進(jìn)程，讓這些進(jìn)程在操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度器的調(diào)度下，能夠讓進(jìn)程高效（高的吞吐量–throughput）、及時（低延遲–latency）、公平（fairness）地使用CPU。為此調(diào)度器可設(shè)計不同的調(diào)度算法來選擇進(jìn)程，這體現(xiàn)了進(jìn)程調(diào)度的策略，同時還需并進(jìn)一步通過進(jìn)程的上下文切換（context switch）來完成進(jìn)程切換，這體現(xiàn)了進(jìn)程調(diào)度的機(jī)制。

我們需要何時調(diào)度（調(diào)度的時機(jī)）、是否能夠在內(nèi)核執(zhí)行的任意位置進(jìn)行調(diào)度（調(diào)度的方式）、如果完成進(jìn)程切換（上下文切換）、如果選擇“合適”的進(jìn)程執(zhí)行（調(diào)度策略/調(diào)度算法）、如果評價選擇的合理性（進(jìn)程調(diào)度的指標(biāo)）。

調(diào)度算法要達(dá)成的目標(biāo)

周轉(zhuǎn)時間短：從作業(yè)提交給系統(tǒng)開始，到作業(yè)完成為止的這段時間的間隔要盡量小。

響應(yīng)時間快：從用戶提交一個請求開始直至系統(tǒng)首次產(chǎn)生響應(yīng)時間為止的一段時間要盡量小。

截止時間的保證：某個任務(wù)必須開始執(zhí)行的最遲時間，或必須完成的最遲時間。截止時間是評價實(shí)時系統(tǒng)的重要指標(biāo)。

系統(tǒng)吞吐量高：單位時間內(nèi)完成的作業(yè)數(shù)量。系統(tǒng)的吞吐量是評價系統(tǒng)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。調(diào)度算法影響系統(tǒng)的吞吐量

CPU利用率高：CPU 是計算機(jī)系統(tǒng)中影響時間性能的最重要的硬件資源。在多任務(wù)系統(tǒng)，進(jìn)程調(diào)度算法對 CPU 的利用率有很大影響。因此，在選擇和設(shè)計進(jìn)程調(diào)度算法時應(yīng)該考慮使 CPU 利用率盡可能高。

調(diào)度算法的類別

主要分為以下幾類：

• 先來先服務(wù)調(diào)度算法
• 短進(jìn)程優(yōu)先調(diào)度算法
• 優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法
• 時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法
• 多級隊列調(diào)度**、**多級反饋隊列調(diào)度

進(jìn)程調(diào)度的原理

這里需要注意，存在兩種進(jìn)程搶占處理器的調(diào)度方式：

• 可搶占式（可剝奪式，preemptive)：就緒隊列中一旦有某進(jìn)程的優(yōu)先級高于當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程的優(yōu)先級時，操作系統(tǒng)便立即進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，完成進(jìn)程切換。

• 不可搶占式（不可剝奪式non_preemptive）：即使在就緒隊列存在有某進(jìn)程優(yōu)先級高于當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程的優(yōu)先級時，當(dāng)前進(jìn)程仍將占用處理機(jī)執(zhí)行，直到該進(jìn)程自己進(jìn)入阻塞狀態(tài)，或時間片用完，或在執(zhí)行完系統(tǒng)調(diào)用后準(zhǔn)備返回用戶進(jìn)程前的時刻，才重新發(fā)生調(diào)度讓出處理機(jī)。

常見的調(diào)度算法

FCFS 先來先服務(wù)優(yōu)先調(diào)度算法（FCFS, First Come First Serve）

先來先服務(wù)（FCFS）調(diào)度算法是一種最簡單的調(diào)度算法，該算法既可用于作業(yè)調(diào)度，
也可用于進(jìn)程調(diào)度。FCFS算法比較有利于長作業(yè)（進(jìn)程），而不利于短作業(yè)（進(jìn)程）。由此可知，本算法適合于CPU繁忙型作業(yè)，
而不利于I/O繁忙型的作業(yè)（進(jìn)程）。這里和python的全局解釋器進(jìn)程鎖的用法一樣，適合I/O密集型。

短作業(yè)（進(jìn)程）優(yōu)先調(diào)度算法（SJF, Shortest Job First）

短作業(yè)（進(jìn)程）優(yōu)先調(diào)度算法是指對短作業(yè)或短進(jìn)程優(yōu)先調(diào)度的算法，該算法既可用于作業(yè)調(diào)度，
也可用于進(jìn)程調(diào)度。但其對長作業(yè)不利；不能保證緊迫性作業(yè)（進(jìn)程）被及時處理；作業(yè)的長短只是被估算出來的。

最高優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法（Priority Scheduling）

為了照顧緊迫性作業(yè)，使之進(jìn)入系統(tǒng)后便獲得優(yōu)先處理，引入了最高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先（FPF）調(diào)度算法。
此算法常被用在批處理系統(tǒng)中，作為作業(yè)調(diào)度算法，也作為多種操作系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度，還可以用于實(shí)時系統(tǒng)中。當(dāng)其用于作業(yè)調(diào)度，
將后備隊列中若干個優(yōu)先權(quán)最高的作業(yè)裝入內(nèi)存。當(dāng)其用于進(jìn)程調(diào)度時，把處理機(jī)分配給就緒隊列中優(yōu)先權(quán)最高的進(jìn)程，此時， 又可以進(jìn)一步把該算法分成以下兩種：
(1)非搶占式優(yōu)先權(quán)算法;
(2)搶占式優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法（高性能計算機(jī)操作系統(tǒng)）;

對于最高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度算法，其核心在于：它是使用靜態(tài)優(yōu)先權(quán)還是動態(tài)優(yōu)先權(quán)， 以及如何確定進(jìn)程的優(yōu)先權(quán)。
動態(tài)優(yōu)先權(quán)：高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度算法為了彌補(bǔ)短作業(yè)優(yōu)先算法的不足，我們引入動態(tài)優(yōu)先權(quán)，使作業(yè)的優(yōu)先等級隨著等待時間的增加而以速率a提高。
該優(yōu)先權(quán)變化規(guī)律可描述為：優(yōu)先權(quán)=（等待時間+要求服務(wù)時間）/要求服務(wù)時間；即 =（響應(yīng)時間）/要求服務(wù)時間。

時間片輪轉(zhuǎn)法（RR, Round Robin）

時間片輪轉(zhuǎn)法一般用于進(jìn)程調(diào)度，每次調(diào)度，把CPU分配隊首進(jìn)程，并令其執(zhí)行一個時間片。
當(dāng)執(zhí)行的時間片用完時，由一個記時器發(fā)出一個時鐘中斷請求，該進(jìn)程被停止，并被送往就緒隊列末尾；依次循環(huán)。

多級反饋隊列調(diào)度算法(multilevel feedback queue scheduling)

多級反饋隊列調(diào)度算法，不必事先知道各種進(jìn)程所需要執(zhí)行的時間，它是目前被公認(rèn)的一種較好的進(jìn)程調(diào)度算法。 其實(shí)施過程如下：

設(shè)置多個就緒隊列，并為各個隊列賦予不同的優(yōu)先級。在優(yōu)先權(quán)越高的隊列中， 為每個進(jìn)程所規(guī)定的執(zhí)行時間片就越小。

當(dāng)一個新進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)存后，首先放入第一隊列的末尾，按FCFS原則排隊等候調(diào)度。
如果他能在一個時間片中完成，便可撤離；如果未完成，就轉(zhuǎn)入第二隊列的末尾，再同樣等待調(diào)度……
如此下去，當(dāng)一個長作業(yè)（進(jìn)程）從第一隊列依次將到第n隊列（最后隊列）后，便按第n隊列時間片輪轉(zhuǎn)運(yùn)行。

僅當(dāng)?shù)谝魂犃锌臻e時，調(diào)度程序才調(diào)度第二隊列中的進(jìn)程運(yùn)行；僅當(dāng)?shù)?到第（ i-1 ）隊列空時，
才會調(diào)度第i隊列中的進(jìn)程運(yùn)行，并執(zhí)行相應(yīng)的時間片輪轉(zhuǎn)。

如果處理機(jī)正在處理第i隊列中某進(jìn)程，又有新進(jìn)程進(jìn)入優(yōu)先權(quán)較高的隊列，
則此新隊列搶占正在運(yùn)行的處理機(jī)，并把正在運(yùn)行的進(jìn)程放在第i隊列的隊尾。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统CPU调度算法的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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