操作系统中常用的进程调度算法

系统管理员 2022-07-12 08:45 418阅读 0赞

# 1、先来先服务调度算法 #

先来先服务(FCFS)调度算法是一种最简单的调度算法，该算法既可用于作业调度，也可用于进程调度。当在作业调度中采用该算法时，每次调度都是从后备作业队列中**选择一个或多个最先进入该队列的作业，将它们调入内存**，为它们分配资源、创建进程，然后放入就绪队列。在进程调度中采用FCFS算法时，则每次调度是**从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程，为之分配处理机**，使之投入运行。该进程一直运行到完成或发生某事件而阻塞后才放弃处理机。

# 2、短作业(进程)优先调度算法 #

短作业(进程)优先调度算法，是指对短作业或短进程优先调度的算法。它们可以分别用于作业调度和进程调度。短作业优先(SJF)的调度算法是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运行。而短进程优先(SPF)调度算法则是**从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程**，将处理机分配给它，使它立即执行并一直执行到完成，或发生某事件而被阻塞放弃处理机时再重新调度。

# 3、时间片轮转法 #

在早期的时间片轮转法中，系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则排成一个队列，每次调度时，**把CPU分配给队首进程**，并令其执行一个时间片。时间片的大小从几ms到几百ms。当执行的**时间片用完时，由一个计时器发出时钟中断请求，调度程序便据此信号来停止该进程的执行，并将它送往就绪队列的末尾**；然后，再把处理机分配给就绪队列中**新的队首进程**，同时也让它**执行一个时间片**。这样就可以保证就绪队列中的所有进程在一给定的时间内均能获得一时间片的处理机执行时间。换言之，**系统能在给定的时间内响应所有用户的请求**。

# 4、多级反馈队列调度算法 #

前面介绍的各种用作进程调度的算法都有一定的局限性。如**短进程优先的调度算法，仅照顾了短进程而忽略了长进程**，而且如果并未指明进程的长度，则短进程优先和基于进程长度的抢占式调度算法都将无法使用。而多级反馈队列调度算法则**不必事先知道各种进程所需的执行时间**，而且还可以满足各种类型进程的需要，因而它是目前**被公认的一种较好的进程调度算法**。在采用多级反馈队列调度算法的系统中，调度算法的实施过程如下所述：

1）应**设置多个就绪队列**，并为**各个队列赋予不同的优先级**。第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低。该算法**赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同**，在**优先权愈高**的队列中，为每个进程所规定的**执行时间片就愈小**。例如，第二个队列的时间片要比第一个队列的时间片长一倍，第i+1个队列的时间片要比第i个队列的时间片长一倍。

2）当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则**排队等待调度**。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可准备撤离系统；如果它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序便**将该进程转入第二队列的末尾**，再同样地按FCFS原则等待调度执行；如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成，再依次将它放入第三队列，……，如此下去，当一个长作业(进程)从第一队列依次降到第n队列后，在第n队列便采取按时间片轮转的方式运行。

3）仅当**第一队列空闲时**，调度程序**才调度第二队列中的进程运行**；仅当第1～(i-1)队列均空时，才会调度第i队列中的进程运行。如果处理机正在第i队列中为某进程服务时，又有新进程进入优先权较高的队列(第1～(i-1)中的任何一个队列)，则此时**新进程将抢占正在运行进程的处理**机，即第i队列中某个正在运行的进程的时间片用完后，由调度程序选择优先权较高的队列中的那一个进程，把处理机分配给它。

# 5、优先权调度算法 #

为了照顾紧迫型作业，使之在进入系统后便获得优先处理，引入了最高优先权优先(FPF)调度算法。此算法常**被用于批处理系统中**，作为作业调度算法，也作为多种操作系统中的进程调度算法，还可用于实时系统中。当把该算法用于作业调度时，系统将**从后备队列中选择若干个优先权最高的作业装入内存**。当用于进程调度时，该算法是把**处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程**，这时，又可进一步把该算法分成如下两种。

1) 非抢占式优先权算法

在这种方式下，系统一旦把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程后，该进程便**一直执行下去，直至完成**；或因发生某事件使该进程放弃处理机时，系统方可再将处理机重新分配给另一优先权最高的进程。这种调度算法主要用于批处理系统中；也可用于某些对实时性要求不严的实时系统中。

2) 抢占式优先权调度算法

在这种方式下，系统同样是把处理机分配给优先权最高的进程，使之执行。但在其执行期间，**只要又出现了另一个其优先权更高的进程，进程调度程序就立即停止当前进程(原优先权最高的进程)的执行，重新将处理机分配给新到的优先权最高的进程。**因此，在采用这种调度算法时，是每当系统中出现一个新的就绪进程i时，就将其优先权Pi与正在执行的进程j的优先权Pj进行比较。如果Pi≤Pj，原进程Pj便继续执行；但如果是Pi>Pj，则立即停止Pj的执行，做进程切换，使i进程投入执行。显然，这种**抢占式的优先权调度算法能更好地满足紧迫作业的要求，故而常用于要求比较严格的实时系统中，以及对性能要求较高的批处理和分时系统中。**

# 6、Unix、Linux与Windows进程调度策略的比较 #

无论是在批处理系统还是分时系统中，用户进程数一般都多于处理机数、这将导致它们互相争夺处理机。另外，系统进程也同样需要使用处理机。这就要求进程调度程序按一定的策略，动态地把处理机分配给处于就绪队列中的某一个进程，以使之执行。

**进程调度的实质是资源的分配**，如何使系统能够保持较短的响应时间和较高的吞吐量，如何在**多个可运行的进程**中选取一个**最值得运行的进程投入运行**是调度器的主要任务。进程调度包括两个方面的内容：何时分配CPU 时间（调度时机）即调度器什么时候启动；如何选择进程（调度算法）即调度器该怎么做。进程调度主要可以分为**非剥夺**方式与**剥夺**方式两种。

非剥夺方式：调度程序一旦把处理机分配给某进程后便让它**一直运行下去**，直到进程完成或发生某事件而阻塞时，才把处理机分配给另一个进程。

剥夺方式：当一个进程正在运行时，系统可以基于某种原则，剥夺已分配给它的处理机，将之分配给其它进程。**剥夺原则有：优先权原则、短进程优先原则、时间片原则**。

Linux 从整体上区分实时进程和普通进程，因为实时进程和普通进程度调度是不同的，它们两者之间，实时进程应该先于普通进程而运行，然后，对于同一类型的不同进程，采用不同的标准来选择进程。对**普通进程**的调度策略是**动态优先调度**，对于**实时进程**采用了两种调度策略，**FIFO(先来先服务调度)和RR（时间片轮转调度）**。

UNIX系统是**单纯的分时系统**，所以没有设置作业调度。UNIX系统的进程调度采用的算法是，**多级反馈队列调度法**。其核心思想是先从最高休先级就绪队列中取出排在队列最前面的进程，当进程执行完一个时间片仍未完成则剥夺它的执行，将它放入到相应的队列中，取出下一个就绪进程投入运行，对于同一个队列中的各个进程，按照时间片轮转法调度。多级反馈队列调度算法即能使高优先级的作业得到响应又能使短作业（进程）迅速完成。但是它还是存在某些方面的不足，当**不断有新进程到来时，则长进程可能饥饿**。

Windows 系统其调度方式比较复杂，它的处理器调度的**调度单位是线程而不是进程**，是基于**优先级的抢占式多处理器调度**，依据优先级和分配时间片来调度。而且Windows 2000/XP在单处理器系统和多处理器系统中的线程调度是不同的线程调度机制，Windows操作系统的调度系统总是**运行优先级最高的就绪线程**。在**同一优先级的各线程按时间片轮转算法进行调度**。如果一个高优先级的线程进入就绪状态，**当前运行的线程可能在用完它的时间片之前就被抢占处理机。**

多任务、有线程优先级、多种中断级别这是现代操作系统的共同特点。实时操作系统（Real-time operating system, RTOS）最大的特点是**对响应时间有严格的要求**，linux尚且不能称为完全的实时操作系统，USA的宇宙飞船常用的操作系统是VxWorks，这才是闻名于世的RTOS。