操作系统原理第五章 CPU调度

本科生操作系统原理学习记录
学习记录全家桶

5.1 CPU调度概念

5.1.1 长程调度

长程调度：

• 又称作业调度、高级调度
• “新建” 状态换到"就绪 “状态”
• 由调度程序选择
• 控制多道程序的 “道/度” Degree

5.1.2 中程调度

中程调度：

• 又称交换
• 将进程在内存和外存空间换进换出
• 目的：节省内存空间

5.1.3 短程调度

每个操作系统都有短程调度

短程调度：平常说的进程调度

• 又称CPU调度、低级调度
• 调度程序选择下一个执行进程

scheduler dispatch 调度程序调度

5.1.4 进程调度队列

就绪队列：在主内存中处于就绪状态并等待执行的所有进程集合

设备队列：等待某一 IO 设备的进程队列

进程的执行过程实际上就是进程在各种队列之间的迁移

单个处理器的话，处于 运行状态的 进程 最多只有一个，因为只有一个CPU

5.1.5 CPU调度过程

进程运行哪一个是由调度程序决定的，把选中的进程去运行的过程，是由分派程序决定的

调度程序 （scheduler）

• 根据某种策略选择一个就绪进程
• 一个CPU同时只能运行一个进程

分派程序（Dispatcher）

• 负责把CPU的控制权转交给CPU调度程序
• 切换上下文
• 切换到用户态
• 跳转到用户程序的适当位置并重新运行

分派延迟（Dispatch -

5.1.6 CPU调度方式

非抢占式调度

一旦把CPU分配给某进程后，系统不可以抢占已经分配的CPU并分配给其他进程

只有进程自愿释放CPU，才可以把CPU分配给其他进程

优点：易于实现、调度开销小，适合批处理系统

缺点：响应时间长，不适合交互式系统 （比如说，更高级的程序无法中断，

抢占式调度

调度程序可以把CPU控制权交给其他进程

优点：可以防止单一进程长时间独占CPU

缺点：系统开销大

5.1.7 CPU调度时机

排队买票的例子，running 到 ready 发生在，领导买票，你先候着吧，ready。等领导买完，你再买票

CPU调度可能发生在当一个进程：

• 从运行转到等待（非抢占式）是自愿放弃CPU的
• 从运行转到就绪（抢占式）被中断的
• 从等待转到就绪（抢占式）这中间有可能发生调度，也可能不发生。
• 终止运行（非抢占式） 自愿放弃CPU

从等待转到就绪（抢占式）

• 就绪队列里的进程一个都没有：这时，等待态的进程会被马上调度
• 就绪队列里有进程在，CPU也不空：等待态的进程的优先级非常高，

5.1.8 CPU调度准则

基本指标

CPU利用率：固定时间内CPU运行时间的比例

吞吐量：单位时间内运行完的进程数量

周转时间：进程从提交到运行结束的全部时间

等待时间：进程等待调度（不运行，就绪队列里）的时间片总和

响应时间：从进程提交到首次运行(不是输出结果)的时间段，也就是第一段的等待时间

周转时间 = 等待时间 + 运行时间

响应时间 <= 等待时间

优化方法

最大的CPU利用率

最大的吞吐量

最短的周转时间

最短的等待时间

最短的响应时间

解决方法

调度算法：就绪队列中哪个进程被选中运行

平衡点、中庸之道，没有完美的算法

5.2 调度算法

5.2.1 先来先服务算法FCFS

按照进程进入就绪队列的顺序来执行

等待时间定义：进程在等待队列中的所有时间总和，为周转时间减去运行时间

响应时间：从进程提交到首次运行的时间段

算法特点：

• 实现简单，可使用FIFO队列实现
• 非抢占
• 公平
• 适用于长程调度、后台批处理系统的短程的调度

缺点：

当一个长进程后面的多个短进程，让长进程先执行，会让后面的短进程等待较长时间，从而导致CPU和设备利用率降低

5.2.2 短作业优先算法SJF

调度策略：

关联到每个进程下次运行的CPU区间长度，调度最短的进程

经常用于作业调度

具有最短的平均等待时间

存在饥饿问题

非抢占式调度

指一旦进程拥有了CPU，只有当该CPU脉冲时间结束才会让出CPU的控制权

周转时间：P1：7 P2：10 P3：4 P4：11

等待时间：P1：0 P2：6 P3：3 P4：7

响应时间：

抢占式调度

当有比当前进程剩余时间片更短的进程到来时，新来的进程抢占当前进程获得CPU运行，这种调度算法也被称为最短剩余时间优先调度，简写为SRTF

5.2.3 优先级算法(PR)

基于进程的紧迫程度由外部赋予每个进程相应的优先级，CPU分配给最高优先级的进程

每个进程都有一个优先数，优先数为整数

默认：小优先数具有高优先级

目前主流的操作系统调度算法

调度模式：

抢占式

非抢占式

优点

• 实现简单，考虑了进程的紧迫程度
• 灵活，可模拟其它算法

存在问题

• 饥饿 – 低优先级的进程可能永远得不到运行

解决方法

• 老化 – 视进程等待时间的延长提高其优先数

5.2.4 时间片轮转(RR)

专为分时系统设计，类似于FCFS，但增加了抢占

• 时间片：小单位的CPU时间，通常为10-100毫秒

• 为每个进程分配不超过一个时间片的CPU。时间片用完后，该进程将被抢占并插入就绪队列末尾，循环执行

• 假定就绪队列中有n个进程、时间片为q, 则任何一个进程的等待时间不会超过 (n-1) * q

5.2.5 多级队列调度(MLQ)

不同的类型需要不同的调度方法，因而产生了多级队列调度

分为很多个队列，每个队列的调度方法不一样

要素：

• 队列数
• 每一队列的调度算法
• 决定新进程将进入哪个队列的方法

前台 – RR

后台 – FCFS

5.2.6 多级反馈队列调度(MLFQ)

举例：

三个队列:

• Q0 – 时间片为8毫秒
• Q1 –时间片为16毫秒
• Q2 – FCFS

调度策略

• 新进程进入Q0队列，得到CPU时间片8毫秒，如果不能在该时间片内完成，将被移动到队列Q1；
• Q0内的进程采用FCFS算法；
• 进程在Q1队列得到CPU时间片16毫秒，如果还不能完成，将被移至队列Q2 ；
• Q1内的进程采用FCFS算法；
• 进入Q2的进程将采用FCFS算法一次运行完

5.2.7 多处理器调度

慕课单元作业

有一个操作系统采用多级反馈队列调度，如下图所示。其中第一级采用时间片轮转算法，时间片大小为8ms，第二级同样采用时间片轮转算法，时间片大小为16ms，第三级采用先来先服务算法。

‌

‌

‌

根据下表给出的5个进程的到达时间、执行时间回答下面的问题。（时间以毫秒为单位）

‌

进程‌	执行时间‌	到达时间‌
P1‌	50‌	0‌
P2‌	10‌	1‌
P3‌	5‌	2‌
P4‌	30‌	3‌
P5‌	23‌	4‌

（1） 请画出5个进程执行的甘特图。

‌

（2） 根据以上的调度算法，分别计算出每个进程的周转时间和响应时间。

2、什么是抢占式调度？什么是非抢占式调度？各适用什么场合？

‏抢占式调度：调度程序可根据某种原则暂停某个正在执行的进程，将已分配给它的CPU重新分配给另一进程

非抢占式调度：当将资源(CPU)分配给进程时，该进程将保持CPU直到其终止或达到等待状态。

适用场合：

抢占式调度适应于 中断请求场合

非抢占式调度适应于 FCFS调度，IO请求等

3、考虑以下的一个基于优先级（优先数高优先级低）的调度算法，此算法采用根据等待时间和运行时间对优先数进行动态老化算法，具体算法如下：

a) 处于等待队列中的进程的优先数p根据等待时间t（每毫秒计算一次）进行变化，p=p-1；

b) 处于运行状态的进程的优先数p根据运行时间t（每毫秒计算一次）进行变化，p=p+1；

c) 优先数p每隔1毫秒重新计算；

d) 采用抢占式调度策略。

根据下表给出的5个进程的到达时间、执行时间回答下面的问题。（时间以毫秒为单位，当优先级相同时，先进入就绪队列的进程优先）

‌

进程‌	执行时间‌	达到时间‌	优先级p‌
P1‌	5‌	0‌	8‌
P2‌	6‌	1‌	4‌
P3‌	3‌	2‌	6‌
P4‌	4‌	3‌	2‌
P5‌	2‌	4‌	10‌

（1） 请画出5个进程执行的甘特图。

‌

（2） 根据以上的调度算法，分别计算出每个进程的周转时间和响应时间。

‌

4、比较作业调度和进程调度的不同点

（1）作业调度是宏观调度，它决定了哪一个作业能进入主存。进程调度是微观调度，它决定各作业中的哪一个进程占有中央处理机。

（2）作业调度是选符合条件的收容态作业装入内存。进程调度是从就绪态进程中选一个占用处理机。

5、考虑下面基于动态优先权的可抢占式调度算法，大优先数表示代表高优先权。当一个进程在等待CPU时（在就绪队列中，但未执行），优先数以α速率变化；当它运行时，优先数以速率β变化。所有进程程在进入就绪队列时被给定优先数为0。请问：

‎

1）β>α>0时是什么算法？为什么？

‎FCFS算法，先来先服务。

因为进程运行时的速率 β 大于在就绪队列中的速率变化，一开始在就绪队列中都为0，但是最先开始运行的进程，优先级变化更快，在就绪队列中的进程抢占不到。只能等运行的进程结束才能运行下一个进行。

​ 就绪队列优先级 运行进程优先级

0 α 2α 3α… (n-1)α nβ

2）α<β<0时是什么算法？为什么？

LIFO算法，后到先出算法。

因为最新来到就绪队列中的进程的优先级为0，总是大于运行的进程(因为这个进程不论运行还是等待都是优先级在减小)，所以最新来到的进程总是先执行。即使没有新的进程来到，在队列尾部的进程的优先级也要更大。

就绪队列优先级 运行进程优先级

α 2α 3α… (n-1)α + β 0