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1.调度的概念、层次

1.1调度的基本概念

当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理

这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题。 作业：一个具体的任务

1.2低级调度（进程调度/处理机调度）(内存 --> CPU)

低级调度—— 按照某种策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。

1.3中级调度（内存调度）(外存 --> 内存)

中级调度——按照某种策略决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。

内存不够时，可将某些进程的数据调出外存。等内存空闲或者进程需要运行时再重新调入内存。

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。被挂起的进程PCB会被组织成挂起队列.

中级调度，就是决定将哪个挂起状态的进程从外存重新调回内存。

注意和高级调度区分，虽然同样是从外存调到内存，但高级调度是调入，中级调度是调回。

1.4高级调度（作业调度）(外存 --> 内存)

高级调度。按一定的原则从外存的作业后备队列中挑选一个作业调入内存，并创建进程。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立PCB，调出时才撤销PCB。

1.5七状态模型（特别是自主命题可能会考）

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态，suspend）挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态。

注意“挂起”和“阻塞”的区别，两种状态都是暂时不能获得CPU的服务，但挂起态是将进程映像调到外存去了，而阻塞态下进程映像还在内存中。

2.进程调度的时机、调度方式

2.1进程调度的时机

2.1.1需要进行进程调度

2.1.1.1当前运行的进程主动放弃处理机

1. 进程正常终止
2. 运行过程中发生异常而终止
3. 进程主动请求阻塞（如 等待I/O）

2.1.1.2当前运行的进程被动放弃处理机

1. 分给进程的时间片用完
2. 有更紧急的事需要处理（如 I/O中断）
3. 有更高优先级的进程进入就绪队列

2.1.2不能进行进程调度

1. 在处理中断的过程中。中断处理过程复杂，与硬件密切相关，很难 做到在中断处理过程中进行进程切换。
2. 进程在操作系统内核程序临界区中。

进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换√

进程处于临界区时不能进行处理机调度×

内核程序临界区访问的临界资源如果不尽快释放的话，极有可能影响到操作系统内核的其他管理工作。因此在访问内核程序临界区期间不能进行调度与切换。

普通临界区访问的临界资源不会直接影响操作系统内核的管理工作。因此在访问普通临界区时可以进行调度与切换。

3. 在原子操作过程中（原语）。原子操作不可中断，要一气呵成（如 之前讲过的修改PCB中进程状态标志，并把PCB放到相应队列）

2.2进程调度的方式

2.2.1非剥夺调度方式

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。

2.2.2剥夺调度方式

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迫的进 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那个进程。

3.调度算法的评价指标

3.1CPU利用率

利用率 = 忙碌的时间/总时间

3.2系统吞吐量

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量

系统吞吐量= 总共完成了多少道作业/总共花了多少时间

3.3周转时间

周转时间，是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。 它包括四个部分：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

平均周转时间 = 各作业周转时间之和/作业数

带权周转时间 = 作业周转时间/作业实际运行的时间 = (作业完成时间 – 作业提交时间)/作业实际运行的时间

平均带权周转时间 = 各作业带权周转时间之和/作业数

3.4等待时间

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

等待时间=周转时间-运行时间 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

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。

3.5响应时间

响应时间，指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。

4.调度算法

4.1先来先服务（FCFS)

算法规则:按照作业/进程到达的先后顺序进行服务

特点:非抢占式的算法、不会饥饿、公平 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

有利于CPU 繁忙型的作业，而不利于I/O繁忙型的作业。

进程是I/O繁忙型，运行过程中要频繁访问IO端口，即可能会频繁放弃CPU，所以占用CPU的时间不会长，一旦放弃CPU，则必须等待下次调度。若进程是CPU繁忙型，则一旦占有CPU，就可能会运行很长时间.

4.2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） 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） 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”

注意几个小细节：

1. 如果题目中未特别说明，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

4.3高响应比优先（HRRN）

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 = （等待时间+要求服务时间）/ 要求服务时间

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 优点：综合考虑了等待时间和运行时间（要求服务时间），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

4.4时间片轮转（RR）

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。

特点：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

4.5优先级调度算法

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。 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 是否可抢占：抢占式、非抢占式都有。做题时的区别在于：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

如何合理地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（或称 I/O繁忙型进程）

如果采用的是动态优先级，什么时候应该调整？

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

随着进程执行时间的增加其优先权随之降低，随着作业等待时间的增加其优先权相应上升。

4.6多级反馈队列调度算法

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

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） 是否会导致饥饿：会

5.补充

1. 作业是从用户角度出发的，它由用户提交，以用户任务为单位;进程是从操作系统出发的，由系统生成，是操作系统的资源分配和独立运行的基本单位。

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