操作系统：第二章 进程管理2 - 处理机调度
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第二章 進(jìn)程管理 - 處理機(jī)調(diào)度
目錄
- 第二章 進(jìn)程管理 - 處理機(jī)調(diào)度
- 調(diào)度的三個(gè)層次
- 高級(jí)調(diào)度（作業(yè)調(diào)度）
- 中級(jí)調(diào)度（內(nèi)存調(diào)度）
- 低級(jí)調(diào)度（進(jìn)程調(diào)度/處理機(jī)調(diào)度）頻率最高
- 進(jìn)程的七狀態(tài)模型
- 五狀態(tài)模型 -> 七狀態(tài)模型
- 進(jìn)程調(diào)度的時(shí)機(jī)
- 1、當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程主動(dòng)放棄處理機(jī)
- 2、當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程被動(dòng)放棄處理機(jī)
- 補(bǔ)充：不能進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度與切換的情況
- 進(jìn)程調(diào)度的方式
- 非搶占式
- 搶占方式
- 調(diào)度算法的評(píng)價(jià)指標(biāo)
- 調(diào)度算法
- 1、先來先服務(wù) FIFS（FirstCome First Serve）
- 2、短作業(yè)優(yōu)先（SJF, Shortest Job First）
- 3、高響應(yīng)比優(yōu)先（HRRN, Highest Response Ratio Next）
- 以下三種算法適合用于交互式系統(tǒng)，更注重系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、公平性、平衡性等指標(biāo)。
- 4、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RR, Round-Robin）
- 5、優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法
- 6、多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法（UNIX使用）
調(diào)度的三個(gè)層次
高級(jí)調(diào)度（作業(yè)調(diào)度）
作業(yè)：一個(gè)具體的任務(wù)
用戶向系統(tǒng)提交一個(gè)作業(yè) ≈ 用戶讓操作系統(tǒng)啟動(dòng)一個(gè)程序（來處理一個(gè)具體的任務(wù)）
簡(jiǎn)化理解：好幾個(gè)程序需要啟動(dòng)，到底先啟動(dòng)哪個(gè)
按一定的原則從外存的作業(yè)后備隊(duì)列中挑選一個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并創(chuàng)建進(jìn)程。每個(gè)作業(yè)只調(diào)入一次，調(diào)出一次。作業(yè)調(diào)入時(shí)會(huì)建立PCB，調(diào)出時(shí)才撤銷PCB。
中級(jí)調(diào)度（內(nèi)存調(diào)度）
內(nèi)存不夠時(shí)，將某些進(jìn)程的數(shù)據(jù)調(diào)出到外存。等內(nèi)存空閑 / 進(jìn)程需要運(yùn)行時(shí)，再重新調(diào)入內(nèi)存。
暫時(shí)調(diào)到外存等待的進(jìn)程為掛起狀態(tài)。被掛起的進(jìn)程PCB會(huì)被組織成掛起隊(duì)列
按照某種策略決定將哪個(gè)處于掛起狀態(tài)的進(jìn)程重新調(diào)入內(nèi)存。一個(gè)進(jìn)程可能會(huì)被多次調(diào)出、調(diào)入內(nèi)存，因此中級(jí)調(diào)度發(fā)生的頻率要比高級(jí)調(diào)度更高。
低級(jí)調(diào)度（進(jìn)程調(diào)度/處理機(jī)調(diào)度）頻率最高
按照某種策略從就緒隊(duì)列中選取一個(gè)進(jìn)程，將處理機(jī)分配給它。
進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)中最基本的一種調(diào)度，在一般的操作系統(tǒng)中都必須配置進(jìn)程調(diào)度。進(jìn)程調(diào)度的頻率很高，一般幾十毫秒一次。
進(jìn)程的七狀態(tài)模型
暫時(shí)調(diào)到外存等待的進(jìn)程狀態(tài)為掛起狀態(tài)（掛起態(tài)，suspend），掛起態(tài)又可以進(jìn)一步細(xì)分為 就緒掛起、阻塞掛起 兩種狀態(tài)
五狀態(tài)模型 -> 七狀態(tài)模型
進(jìn)程調(diào)度的時(shí)機(jī)
1、當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程主動(dòng)放棄處理機(jī)
- 進(jìn)程正常終止
- 運(yùn)行過程中發(fā)生異常而終止
- 進(jìn)程主動(dòng)請(qǐng)求阻塞（如等待I/O）
2、當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程被動(dòng)放棄處理機(jī)
- 分給進(jìn)程的時(shí)間片用完
- 有更緊急的事需要處理（如I/O中斷）
- 有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列
補(bǔ)充：不能進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度與切換的情況
進(jìn)程調(diào)度的方式
非搶占式
只允許進(jìn)程主動(dòng)放棄處理機(jī)。在運(yùn)行過程中即便有更緊迫的任務(wù)到達(dá)，當(dāng)前進(jìn)程依然會(huì)繼續(xù)使用處理機(jī)，直到該進(jìn)程終止或主動(dòng)要求進(jìn)入阻塞態(tài)。
搶占方式
當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在處理機(jī)上執(zhí)行時(shí)，如果有更重要的進(jìn)程需要使用處理機(jī)，則立即暫停正在執(zhí)行的進(jìn)程，將處理機(jī)分配給更重要的那個(gè)進(jìn)程。
調(diào)度算法的評(píng)價(jià)指標(biāo)
由于早期的CPU造價(jià)極其昂貴，因此人們會(huì)希望讓CPU盡可能多地工作
CPU利用率：指CPU “忙碌”的時(shí)間占總時(shí)間的比例。
- 利用率 = 忙碌的時(shí)間 / 總時(shí)間
系統(tǒng)吞吐量：單位時(shí)間內(nèi)完成作業(yè)的數(shù)量
- 系統(tǒng)吞吐量 = 總共完成了多少道作業(yè) / 總共花了多少時(shí)間
作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間：從作業(yè)被提交給系統(tǒng)開始，到作業(yè)完成為止的這段時(shí)間間隔
它包括四個(gè)部分：作業(yè)在外存后備隊(duì)列上等待作業(yè)調(diào)度（高級(jí)調(diào)度）的時(shí)間、進(jìn)程在就緒隊(duì)列上等待進(jìn)程調(diào)度（低級(jí)調(diào)度）的時(shí)間、進(jìn)程在CPU上執(zhí)行的時(shí)間、進(jìn)程等待I/O操作完成的時(shí)間。
對(duì)于用戶來說，更關(guān)心自己的單個(gè)作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間；對(duì)于操作系統(tǒng)來說，更關(guān)心系統(tǒng)的整體表現(xiàn)，
因此更關(guān)心所有作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間的平均值
- 作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間 = 作業(yè)完成時(shí)間 – 作業(yè)提交時(shí)間
- 平均周轉(zhuǎn)時(shí)間 = 各作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間之和 / 作業(yè)數(shù)量
- 帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間 = 作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間 / 作業(yè)實(shí)際運(yùn)行的時(shí)間（必然 ≥ 1）
- 平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間 = 各作業(yè)帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間之和 / 作業(yè)數(shù)
等待時(shí)間：進(jìn)程/作業(yè)處于等待處理機(jī)狀態(tài)時(shí)間之和。等待時(shí)間越長，用戶滿意度越低。
對(duì)于進(jìn)程來說，等待時(shí)間就是指進(jìn)程建立后等待被服務(wù)的時(shí)間之和。在等待I/O期間，進(jìn)程也是在被服務(wù)的，所以不計(jì)入等待時(shí)間。
對(duì)于作業(yè)來說，不僅要考慮建立進(jìn)程后的等待時(shí)間，還要加上作業(yè)在外存后備隊(duì)列中等待的時(shí)間。
調(diào)度算法其實(shí)只會(huì)影響作業(yè)/進(jìn)程的等待時(shí)間，而無法改變其被服務(wù)的時(shí)間。
響應(yīng)時(shí)間：指從用戶提交請(qǐng)求到首次產(chǎn)生響應(yīng)所用的時(shí)間。
對(duì)于計(jì)算機(jī)用戶來說，會(huì)希望自己的提交的請(qǐng)求（比如通過鍵盤輸入了一個(gè)調(diào)試命令）盡早地開始被系
統(tǒng)服務(wù)、回應(yīng)。
調(diào)度算法
1、先來先服務(wù) FIFS（FirstCome First Serve）
算法思想
主要從“公平”的角度考慮
算法規(guī)則
按照作業(yè)/進(jìn)程到達(dá)的先后順序進(jìn)行服務(wù)
作業(yè)調(diào)度 or 進(jìn)程調(diào)度？
用于作業(yè)調(diào)度時(shí)，考慮的是哪個(gè)作業(yè)先到達(dá)后備隊(duì)列
用于進(jìn)程調(diào)度時(shí)，考慮的是哪個(gè)進(jìn)程先到達(dá)就緒隊(duì)列
搶占 or 非搶占式？
非搶占式
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：公平、算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單
缺點(diǎn)：對(duì)長作業(yè)有利，對(duì)短作業(yè)不利
是否會(huì)導(dǎo)致饑餓
不會(huì)
2、短作業(yè)優(yōu)先（SJF, Shortest Job First）
算法思想
追求最少的平均等待時(shí)間，最少的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間、最少的平均平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間
算法規(guī)則
每次調(diào)度時(shí)，選擇當(dāng)前已到達(dá)、且運(yùn)行時(shí)間最短的作業(yè)/進(jìn)程。
作業(yè)調(diào)度 or 進(jìn)程調(diào)度？
可用于作業(yè)調(diào)度 / 進(jìn)程調(diào)度。用于進(jìn)程調(diào)度時(shí)：**短進(jìn)程優(yōu)先（SPF, Shortest Process First）**算法
搶占 or 非搶占式？
SJF / SPF 是非搶占式。搶占式版本：**最短剩余時(shí)間優(yōu)先（SRTN, Shortest Remaining Time Next）**算法
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：“最短的”平均等待時(shí)間、平均周轉(zhuǎn)時(shí)間
缺點(diǎn)：不公平。對(duì)短作業(yè)有利，長作業(yè)不利。可能產(chǎn)生饑餓現(xiàn)象；作業(yè)/進(jìn)程的運(yùn)行時(shí)間由用戶提供的，不一定真實(shí)，不一定真正做到短作業(yè)優(yōu)先
是否會(huì)導(dǎo)致饑餓
會(huì)。如果不斷有短作業(yè)到來，導(dǎo)致長作業(yè)饑餓 / 餓死
注意幾個(gè)小細(xì)節(jié)：
如果題目中未特別說明，所提到的“短作業(yè)/進(jìn)程優(yōu)先算法”默認(rèn)是非搶占式的
很多書上都會(huì)說“SJF 調(diào)度算法的平均等待時(shí)間、平均周轉(zhuǎn)時(shí)間最少”，這個(gè)表述不嚴(yán)謹(jǐn)。之前例子表明，最短剩余時(shí)間優(yōu)先算法得到的平均等待時(shí)間、平均周轉(zhuǎn)時(shí)間還要更少。
應(yīng)該加上一個(gè)條件“在所有進(jìn)程同時(shí)可運(yùn)行時(shí)，采用SJF調(diào)度算法的平均等待時(shí)間、平均周轉(zhuǎn)時(shí)間最少”；或者“在所有進(jìn)程都幾乎同時(shí)到達(dá)時(shí)，采用SJF調(diào)度算法的平均等待時(shí)間、平均周轉(zhuǎn)時(shí)間最少”；
如不加上述前提條件，應(yīng)該說“搶占式的短作業(yè)/進(jìn)程優(yōu)先調(diào)度算法（最短剩余時(shí)間優(yōu)先, SRNT算法）的平均等待時(shí)間、平均周轉(zhuǎn)時(shí)間最少”
雖然嚴(yán)格來說，SJF的平均等待時(shí)間、平均周轉(zhuǎn)時(shí)間并不一定最少，但相比于其他算法（如FCFS），SJF依然可以獲得較少的平均等待時(shí)間、平均周轉(zhuǎn)時(shí)間
如果選擇題中遇到“SJF 算法的平均等待時(shí)間、平均周轉(zhuǎn)時(shí)間最少”的選項(xiàng)，那最好判斷其他選項(xiàng)是不是有很明顯的錯(cuò)誤，如果沒有更合適的選項(xiàng)，那也應(yīng)該選擇該選項(xiàng)
3、高響應(yīng)比優(yōu)先（HRRN, Highest Response Ratio Next）
算法思想
要綜合考慮作業(yè)/進(jìn)程的等待時(shí)間和要求服務(wù)的時(shí)間
算法規(guī)則
在每次調(diào)度時(shí)先計(jì)算各個(gè)作業(yè)/進(jìn)程的響應(yīng)比，選擇響應(yīng)比最高的作業(yè)/進(jìn)程，上處理機(jī)。
響應(yīng)比 = (等待時(shí)間+要求服務(wù)時(shí)間) / 要求服務(wù)時(shí)間
作業(yè)調(diào)度 or 進(jìn)程調(diào)度？
均可
搶占 or 非搶占式？
非搶占式。因此只有當(dāng)前運(yùn)行的作業(yè)/進(jìn)程主動(dòng)放棄處理機(jī)時(shí)，才需要調(diào)度，才需要計(jì)算響應(yīng)比。
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
綜合考慮了等待時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間（要求服務(wù)時(shí)間）。
等待時(shí)間相同時(shí)，要求服務(wù)時(shí)間短的優(yōu)先（SJF 的優(yōu)點(diǎn)）。
要求服務(wù)時(shí)間相同時(shí)，等待時(shí)間長的優(yōu)先（FCFS 的優(yōu)點(diǎn)）
等待時(shí)間越來越久，響應(yīng)比會(huì)越來越大，從而避免了長作業(yè)饑餓的問題。
是否會(huì)導(dǎo)致饑餓
不會(huì)
以下三種算法適合用于交互式系統(tǒng)，更注重系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、公平性、平衡性等指標(biāo)。
4、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RR, Round-Robin）
算法思想
公平地、輪流地為各個(gè)進(jìn)程服務(wù)，讓每個(gè)進(jìn)程在一定時(shí)間間隔內(nèi)都可以得到響應(yīng)
算法規(guī)則
按照各進(jìn)程到達(dá)就緒隊(duì)列的順序，輪流讓各個(gè)進(jìn)程執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片（如100ms）。若進(jìn)程未在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行完，則剝奪處理機(jī)，將進(jìn)程重新放到就緒隊(duì)列隊(duì)尾重新排隊(duì)。
隨著分時(shí)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)而出現(xiàn)，更注重“響應(yīng)時(shí)間”。
作業(yè)調(diào)度 or 進(jìn)程調(diào)度？
進(jìn)程調(diào)度（只有作業(yè)放入內(nèi)存建立了相應(yīng)的進(jìn)程后，才能被分配處理機(jī)時(shí)間片）
搶占 or 非搶占式？
搶占式。
由時(shí)鐘裝置發(fā)出時(shí)鐘中斷來通知CPU時(shí)間片已到。進(jìn)程未能在時(shí)間片內(nèi)運(yùn)行完，會(huì)被剝奪處理機(jī)使用權(quán)。
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：公平；響應(yīng)快，適用于分時(shí)操作系統(tǒng)；
缺點(diǎn)：由于高頻率的進(jìn)程切換，因此有一定開銷；不區(qū)分任務(wù)的緊急程度。
是否會(huì)導(dǎo)致饑餓
不會(huì)
5、優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法
算法思想
隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，特別是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，越來越多的應(yīng)用場(chǎng)景需要根據(jù)任務(wù)的緊急程度來決定處理順序
算法規(guī)則
每個(gè)作業(yè)/進(jìn)程有各自的 優(yōu)先級(jí)，調(diào)度時(shí)選擇 優(yōu)先級(jí)最高的作業(yè)/進(jìn)程
通常來說，優(yōu)先級(jí)排序：
系統(tǒng)進(jìn)程 > 用戶進(jìn)程
前臺(tái)進(jìn)程 > 后臺(tái)進(jìn)程
I/O密集型進(jìn)程 > CPU密集型進(jìn)程（計(jì)算型進(jìn)程）
作業(yè)調(diào)度 or 進(jìn)程調(diào)度？
均可。既可用于作業(yè)調(diào)度，也可用于進(jìn)程調(diào)度。甚至，還會(huì)用于在之后會(huì)學(xué)習(xí)的I/O調(diào)度中
搶占 or 非搶占式？
搶占式、非搶占式 都有。
非搶占式在 進(jìn)程主動(dòng)放棄處理機(jī) 時(shí)進(jìn)行調(diào)度即可；搶占式還需在 就緒隊(duì)列變化 時(shí)，檢查是否會(huì)發(fā)生搶占。
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：用優(yōu)先級(jí)區(qū)分緊急程度、重要程度，可靈活調(diào)整，適用于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
缺點(diǎn)：若不斷地有高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程到來，則可能導(dǎo)致饑餓
是否會(huì)導(dǎo)致饑餓
會(huì)
6、多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法（UNIX使用）
算法思想
對(duì)其他調(diào)度算法的 折中 權(quán)衡
算法規(guī)則
設(shè)置多級(jí)就緒隊(duì)列，各級(jí)隊(duì)列優(yōu)先級(jí)從高到低，時(shí)間片從小到大
新進(jìn)程到達(dá)時(shí)先進(jìn)入第1級(jí)隊(duì)列，按FCFS原則排隊(duì)等待被分配時(shí)間片，若用完時(shí)間片進(jìn)程還未結(jié)束，則進(jìn)程進(jìn)入下一級(jí)隊(duì)列隊(duì)尾。如果此時(shí)已經(jīng)是在最下級(jí)的隊(duì)列，則重新放回該隊(duì)列隊(duì)尾
只有第 k 級(jí)隊(duì)列為空時(shí)，才會(huì)為 k+1 級(jí)隊(duì)頭的進(jìn)程分配時(shí)間片
作業(yè)調(diào)度 or 進(jìn)程調(diào)度？
進(jìn)程調(diào)度
搶占 or 非搶占式？
搶占。在k 級(jí)隊(duì)列的進(jìn)程運(yùn)行過程中，若更上級(jí)的隊(duì)列（1 ~ k-1級(jí)）中進(jìn)入了一個(gè)新進(jìn)程，則由于新進(jìn)程處于優(yōu)先級(jí)更高的隊(duì)列中，因此新進(jìn)程會(huì)搶占處理機(jī)，原來運(yùn)行的進(jìn)程放回 k 級(jí)隊(duì)列隊(duì)尾。
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
對(duì)各類型進(jìn)程相對(duì)公平（FCFS的優(yōu)點(diǎn)）；每個(gè)新到達(dá)的進(jìn)程都可以很快就得到響應(yīng)（RR的優(yōu)點(diǎn)）；短進(jìn)程只用較少的時(shí)間就可完成（SPF的優(yōu)點(diǎn)）；不必實(shí)現(xiàn)估計(jì)進(jìn)程的運(yùn)行時(shí)間（避免用戶作假）；可靈活地調(diào)整對(duì)各類進(jìn)程的偏好程度，比如CPU密集型進(jìn)程、I/O密集型進(jìn)程（拓展：可以將因I/O而阻塞的進(jìn)程重新放回原隊(duì)列，這樣I/O型進(jìn)程就可以保持較高優(yōu)先級(jí)）
是否會(huì)導(dǎo)致饑餓
會(huì)，考慮不斷有短時(shí)間的進(jìn)程到來的情況。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的操作系统：第二章 进程管理2 - 处理机调度的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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