处理机调度
操作系统实验之处理机调度实验报告
操作系统实验之处理机调度实验报告一、实验目的处理机调度是操作系统中的核心功能之一，本次实验的主要目的是通过模拟不同的处理机调度算法，深入理解操作系统对处理机资源的分配和管理策略，比较不同调度算法的性能差异，并观察它们在不同负载情况下的表现。
二、实验环境本次实验使用的操作系统为 Windows 10，编程语言为 Python 38。
实验中使用了 Python 的相关库，如`numpy`、｀matplotlib`等，用于数据生成、计算和图形绘制。
三、实验原理1、先来先服务（FCFS）调度算法先来先服务算法按照作业到达的先后顺序进行调度。
先到达的作业先被服务，直到完成或阻塞，然后再处理下一个到达的作业。
2、短作业优先（SJF）调度算法短作业优先算法选择预计运行时间最短的作业先执行。
这种算法可以有效地减少作业的平均等待时间，但可能导致长作业长时间等待。
3、时间片轮转（RR）调度算法时间片轮转算法将处理机的时间分成固定长度的时间片，每个作业轮流获得一个时间片的处理时间。
当时间片用完后，如果作业还未完成，则将其放入就绪队列的末尾等待下一轮调度。
4、优先级调度算法优先级调度算法为每个作业分配一个优先级，优先级高的作业先被执行。
优先级可以根据作业的性质、紧急程度等因素来确定。
四、实验内容与步骤1、数据生成首先，生成一组模拟的作业，包括作业的到达时间、预计运行时间和优先级等信息。
为了使实验结果更具代表性，生成了不同规模和特征的作业集合。
2、算法实现分别实现了先来先服务、短作业优先、时间片轮转和优先级调度这四种算法。
在实现过程中，严格按照算法的定义和规则进行处理机的分配和调度。
3、性能评估指标定义了以下性能评估指标来比较不同调度算法的效果：平均等待时间：作业在就绪队列中的等待时间的平均值。
平均周转时间：作业从到达系统到完成的时间间隔的平均值。
系统吞吐量：单位时间内完成的作业数量。
4、实验结果分析对每种调度算法进行多次实验，使用不同的作业集合，并记录相应的性能指标数据。
处理机调度的层次
（1）截至时间的保证：所谓的截至时间，是指某认为必须开始执行的最迟时间，或者完成的最迟 时间。
（2）可预测性：例如在多媒体系统中，无论是电影还是电视剧都应该连续播放的ຫໍສະໝຸດ 这就提供了请 求的可预测性。三
个
层
次
处理机调度的层次
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅的阐述观 点。
高级调度（High level Scheduling) 又称长调度或作业调度，它的调度对象时作业，其主要功能室根据某种算法， 决定将外存上处于后备队列中的哪几个作业调入内存，为它们创建进程，分配必要资 源，并将它们放入就绪队列。高级调度主要用于多道批处理系统，而在分时系统中不 设置高级调度。 低级调度（Low level Scheduling) 又称为进程调度或短程调度，其调度的对象时进程（或内核级的线程）。主要 功能是，根据某种算法，决定就绪队列中的哪个进程获得处理机。 中级调度（Intermediate Scheduling) 又称为内存调度，目的是提高内存利用率和系统吞吐量。为此应把那些战士不 能允许的进程，调至外存等待，此时进程的状态称为就绪驻外存状态。
评价因素 吞吐量 单位时间内CPU完成作业的数量。 CPU利用率 从0%～100%。 周转时间 评价批处理系统的性能指标。 Ti = 作业完成时刻 － 作业提交时刻 确定进程调度原则 在系统角度来说， 公平性：每个进程（不论优先级）都有机会被运行；较大的吞吐量。 用户角度， 及时性：响应速度要快；较短的周转时间：不应当让用户等待时间过长。
2.批处理系统的目标
（1）平均周转时间短。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。 （2）系统吞吐量高：吞吐量是指在单位时间内系统所完成的作业数，因而它与批处理作业的平均 长度有关。 （4）处理机利用率高
处理机调度目标理解
处理机调度目标理解在计算机操作系统中，处理机调度是指操作系统对处理机（CPU）进行分配和管理的过程。
目标是合理分配处理机资源，提高系统的吞吐量和响应速度，并确保系统资源的公平利用。
而要理解处理机调度的目标，需要从以下几个方面进行分析。
1. 最大化处理机利用率：处理机是计算机系统中最重要的资源之一，因此调度的首要目标是最大化处理机的利用率。
这意味着在系统中尽可能地让处理机保持繁忙状态，避免出现空闲或闲置情况。
通过合理的调度算法，可以有效地提高处理机的利用率，使得系统的整体性能得到提升。
2. 最小化作业的等待时间：作业的等待时间是指作业从提交到开始执行之间的时间间隔。
长时间的等待会导致作业执行的延迟，降低系统的响应速度。
因此，调度的另一个目标是尽可能地减少作业的等待时间，让作业能够尽早地得到处理机的服务。
通过合理的调度算法，可以充分利用系统资源，缩短作业的等待时间，提高系统的效率。
3. 实现公平性：在多用户系统中，不同的用户对系统资源的需求可能不同。
处理机调度的目标之一是实现资源的公平分配，确保每个用户都能够获得合理的服务。
公平性可以通过调度算法来实现，例如时间片轮转算法可以确保每个作业都能够获得公平的执行时间，避免某些作业长时间占用处理机资源而导致其他作业等待时间过长的情况。
4. 最小化响应时间：响应时间是指用户提交请求到系统响应该请求所需要的时间。
处理机调度的目标之一是尽可能地缩短用户的响应时间，提高用户的体验。
通过合理的调度算法，可以将用户请求迅速调度到处理机上执行，并及时返回结果，减少用户的等待时间，提高系统的响应速度。
综上所述，处理机调度的目标包括最大化处理机利用率、最小化作业的等待时间、实现资源的公平分配以及最小化响应时间。
通过合理选择和设计调度算法，可以达到这些目标，提高计算机系统的整体性能和用户体验。
处理机调度的常用算法
处理机调度的常用算法包括以下几种：
1. 先来先服务调度算法（FCFS，First Come First Service）：这是一种最简单的调度算法，按先后顺序进行调度。
既可用于作业调度，也可用于进程调度。
2. 短作业优先调度算法（SJF/SPF，Shortest Job First）：该算法根据作业长短进行调度，有利于短作业（进程）的完成。
3. 高响应比优先调度算法（HRRN，Highest Response Raito Next）：该算法综合考虑了作业长短和等待时间，能够适用于短作业较多的批处理系统中，但长作业的运行可能得不到保证。
4. 基于时间片的轮转调度算法（RR，Round Robin）：该算法将系统中所有的就绪进程按照FCFS原则，排成一个队列。
每次调度时将CPU 分派给队首进程，让其执行一个时间片。
时间片的长度从几个ms到几百ms。
在一个时间片结束时，发生时钟中断。
调度程序据此暂停当前进程的执行，将其送到就绪队列的末尾，并通过上下文切换执行当前就绪的队首进程。
进程阻塞情况发生时，未用完时间片也要出让CPU。
这些算法各有优缺点，需要根据实际应用场景选择合适的算法。
描述处理机的调度方式
描述处理机的调度方式一、引言处理机调度是操作系统中的重要任务之一，它决定了多个进程之间的执行顺序。
合理的调度方式能够提高系统的资源利用率和响应速度，实现任务的高效执行。
本文将介绍几种常见的处理机调度方式，并分析其特点和适用场景。
二、先来先服务调度（FCFS）先来先服务调度是最简单的调度方式之一，它按照进程的到达顺序进行调度，先到达的进程先执行。
这种调度方式的特点是公平、无抢占，适用于长作业型的任务。
然而，FCFS调度容易造成“饥饿”现象，即长作业占用处理机时间过长，导致短作业等待时间过长，影响系统的响应速度。
三、最短作业优先调度（SJF）最短作业优先调度是根据进程的执行时间长度来进行调度的。
短作业优先的调度方式能够最大限度地减少平均等待时间，提高系统的响应速度。
然而，SJF调度容易造成长作业的等待时间过长，导致长作业的响应速度变慢。
此外，SJF调度方式需要事先知道每个进程的执行时间，对于实时系统来说，很难做到准确预测。
四、优先级调度优先级调度是根据进程的优先级来进行调度的。
每个进程都被赋予一个优先级，优先级越高的进程越先执行。
优先级调度方式可以根据系统的需求进行设置，以实现对不同类型任务的灵活调度。
然而，优先级调度容易造成低优先级进程的饥饿现象，即低优先级进程长时间无法得到执行。
此外，优先级调度方式需要合理设置优先级，过高的优先级可能导致系统稳定性问题。
五、时间片轮转调度（RR）时间片轮转调度是一种基于时间片的调度方式。
每个进程被分配一个固定长度的时间片，在时间片用完后，进程会被挂起，然后被放入就绪队列的末尾，等待下一次调度。
时间片轮转调度方式公平、无饥饿，适用于多任务环境。
然而，时间片的长度需要合理设置，过长会导致响应速度变慢，过短又会导致频繁的上下文切换，影响系统的效率。
六、多级反馈队列调度（MFQ）多级反馈队列调度是一种综合利用了FCFS、SJF和RR调度方式的调度方式。
它将进程根据优先级划分为多个队列，每个队列采用不同的调度方式。
实验一 处理机调度实验报告
实验一处理机调度实验报告一、实验目的处理机调度是操作系统中的一个重要组成部分，其目的是合理地分配处理机资源，以提高系统的性能和效率。
本次实验的主要目的是通过模拟处理机调度算法，深入理解不同调度算法的工作原理和性能特点，并能够对它们进行比较和分析。
二、实验环境本次实验使用了以下软件和工具：1、操作系统：Windows 102、编程语言：Python3、开发环境：PyCharm三、实验内容1、先来先服务（FCFS）调度算法先来先服务调度算法按照作业或进程到达的先后顺序进行调度。
即先到达的作业或进程先得到处理机的服务。
2、短作业优先（SJF）调度算法短作业优先调度算法优先调度运行时间短的作业或进程。
在实现过程中，需要对作业或进程的运行时间进行预测或已知。
3、高响应比优先（HRRN）调度算法高响应比优先调度算法综合考虑作业或进程的等待时间和运行时间。
响应比的计算公式为：响应比＝（等待时间＋要求服务时间）／要求服务时间。
4、时间片轮转（RR）调度算法时间片轮转调度算法将处理机的时间分成固定大小的时间片，每个作业或进程在一个时间片内运行，当时间片用完后，切换到下一个作业或进程。
四、实验步骤1、设计数据结构为了表示作业或进程，设计了一个包含作业或进程 ID、到达时间、运行时间和等待时间等属性的数据结构。
2、实现调度算法分别实现了上述四种调度算法。
在实现过程中，根据算法的特点进行相应的处理和计算。
3、模拟调度过程创建一组作业或进程，并按照不同的调度算法进行调度。
在调度过程中，更新作业或进程的状态和相关时间参数。
4、计算性能指标计算了平均周转时间和平均带权周转时间等性能指标，用于评估不同调度算法的性能。
五、实验结果与分析1、先来先服务（FCFS）调度算法平均周转时间：通过计算所有作业或进程的周转时间之和除以作业或进程的数量，得到平均周转时间。
在 FCFS 算法中，由于按照到达顺序进行调度，可能会导致长作业或进程长时间占用处理机，从而使平均周转时间较长。
简述处理机调度的层次
简述处理机调度的层次
1处理机调度的层次
处理机调度是指操作系统将处理机分配给各个进程的过程，由操作系统根据调度算法决定执行哪个程序，以及在一个时间片中执行量大小等。
它是操作系统对各个进程的资源分配工作中的一部分，也是其决定系统吞吐量的关键因素。
处理机调度的层次是分三层，从上到下分别为宏观调度、微观调度和抢占式调度。
1.1宏观调度
宏观调度层为操作系统提供了一个高层次的抽象，处理机为进程提供服务时，宏观调度便可以进行统一调度，不必对每一个进程都进行分配和调度，从而减少操作系统的工作量。
宏观调度的作用是给处理机分配一个全局的调度策略，并向调度进程提供必要的参数，根据这些参数分配不同的请求。
1.2微观调度
微观调度的作用是在宏观调度的基础上，实现不同进程的处理能力的具体实现，它通常采用很多复杂的算法，具体实现方式是根据每个进程的处理能力，采用抢先调度和先抢先得调度等方式，将优先处理一定数量的指令，然后再分给下一个处理任务。
1.3抢占式调度
抢占式调度的作用是当某一个进程发起抢占时，处理机会立即从原来的进程中被抢占出去，抢占优先级最高的进程被安排启动，如果优先级一样，则按先到先得原则，而如果不同，则高优先级的进程优先。
抢占式调度不仅能提高系统效率，而且能有效阻止低优先级进程干扰高优先级进程，从而提高了系统资源和利用率，是操作系统对处理机调度中不可或缺的一部分。
总之，处理机调度的层次可以分为宏观调度、微观调度和抢占式调度，每一层调度都具有自己的作用和特点，经过恰当的处理机调度，可以极大的提升系统的运行效率。
处理机调度的基本概念
W
1 n
n i1
Ti TSi
1. 面向用户的准则
(2) 响应时间快。 (3) 截止时间的保证。 (4) 优先权准则。
2. 面向系统的准则
(1)系统吞吐量高。 (2) 处理机利用率好。 (3) 各类资源的平衡利用。
操作系统
可能引起进程调度的因素可归结为这样几个：① 正在执行的进程执行完 毕， 或因发生某事件而不能再继续执行； ② 执行中的进程因提出I/O请 求而暂停执行；③ 在进程通信或同步过程中执行了某种原语操作，如P操 作(wait操作)、Block原语、Wakeup原语等。这种调度方式的优点是实现 简单、系统开销小，适用于大多数的批处理系统环境。但它难以满足紧 急任务的要求——立即执行，因而可能造成难以预料的后果。显然，在要 求比较严格的实时系统中，不宜采用这种调度方式。
1.2 调度队列模型
1.仅有进程调度的调度队列模型
时间 片完
交互 用户
事 件 出 现
就绪 队列 阻塞 队 列
进程 调度
进程 完成 CP U
调度队列模型
2. 具有高级和低级调度的调度队列模型
作业 调度
后 备队 列
时间 片完 就绪 队 列
进程 调度
进程 完成 CP U
事
件 出
挂起
现
阻塞 队列
等待 事件
图 3-3 具有三级调度时的调度队列模型
1.3 选择调度方式和调度算法的若干准则
1. 面向用户的准则
(1)周转时间短。 可把平均周转时间描述为：
T
1 n
i i1
Ti
作业的周转时间T与系统为它提供服务的时间TS之比，即W=T/TS，称为
带权周转时间，而平均带权周转时间则可表示为:
嵌入式操作系统_第3章 处理机调度
短作业优先调度算法的特点
算法调度性能较好，
例如上例中，
先来先服务
短作业优先
平均周转时间
2.8
2.45
平均带权周转时间
5.25
3.85
但对长作业不利，未考虑作业的紧迫程度， 运行时间为估计。
调度算法
先来先服务调度算法 短作业（进程）优先调度算法 时间片轮转调度算法 优先权调度算法 最高响应比优先调度算法 多级队列调度算法
抢占方式
抢占方式：又称剥夺方式、可剥夺方式。这 种调度方式是指允许调度程序根据某种原则 去停止正在执行的进程，将已分配给该进程 的处理机重新分配给其他进程。
高级调度主要用于多道批处理系统中，在分 时和实时系统中不设高级调度。
2.中级调度
中级调度又称内存调度，其功能是将内存中 暂时不用的信息移到外存，以腾出空间给内 存中的进程使用，或将需要的信息从外存读 入内存。
引入中程调度的目的是提高内存利用率和系 统吞吐量。
中级调度的运行频率介于两者之间。
事 件 出 现
时间片完 就绪 队列 阻塞队列
进程调度
进程完成 CP U
等待事件
3.2.2 选择调度算法的准则
由于操作系统的类型及目标不同，因此选择 的调度算法也不同。
选择调度算法有以下准则：
面向系统的准则 面向用户的准则
面向用户的准则
周转时间短：指从作业提交到作业完成的时 间间隔。
微机不太重要。
周转时间
作业的周转时间是指从作业提交到作业完 成之间的时间间隔。
平均周转时间是指多个作业的周转时间的 平均值。ｎ个作业的平均周转时间：
T =（T1＋T2＋ … ＋Tn）／n（Ti为作业ｉ 的周转时间）
操作系统第3章 处理机调度(调度)
3.2 调度算法
进程调度的核心问题就是采用什么样的算法将处 理机分配给进程，常用的进程调度算法有：
先来先服务调度算法
短作业/进程优先调度算法
优先权调度算法
高响应比优先调度算法
时间片轮转调度算法
多级队列调度算法
多级反馈队列调度算法
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一、先来先服务调度算法FCFS
基本思想:按照进程进入就绪队列的 先后次序来分配处理机。
抢占（剥夺）方式
非抢占方式
一旦把处理机分配给某进程后，便让该进程 一直执行，直到该进程完成或因某事件而被 阻塞，才再把处理机分配给其它进程，不允 许进程抢占已分配出去的处理机。
特点：实现简单，系统开销小，常用于批处 理系统；但不利于处理紧急任务，故实时、 分时系统不宜采用。
抢占方式
允许调度程序根据某种原则（时间片、优 先权、短进程优先），停止正在执行的进 程，而将处理机重新分配给另一进程。
调度算法（太长---FCFS）； 上下文切换（太短---上下文切换频繁）； 平均周转时间。
短时间片增加上下文切换频率
周转时间随时间片变化
三、时间片轮转调度算法—例(1)
EG： 进程 到达时间
P1
0
P2
2
P3
4
P4
5
RR（时间片为1）
服务时间
7 4 1 4
P1 P2 P1 P2 P3 P1 P4 P2 P1 P4 P2 P1 P4 P1 P4
FCFS SPF-非 SPF-抢
周转T 124.25 100
75.75
等待T 74.25 49.5
25.25
二、SJF/SPF ——抢占式
到达顺序: 进程名 到达时间 服务时间
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• （2）批处理系统
• 吞吐量（Throughout）：单位时间内完成作 业的数量。
• 周转时间（Turnaround Time）：作业从提 交到运行结束的时间。
• CPU利用率（CPU Utilization）：CPU运行 时间占系统运行时间的百分比。
• 具体通过以下几个概念衡量：
16
• 平均周转时间
事件出现
阻塞，挂起队列
事
件 出
挂起
现
阻塞队列
等待事件
9
4.1.3作业与进程的关系
• 作业可被看作是用户向计算机提交任务 的实体。如一次计算，一个控制过程等。
• 进程则是计算机为了完成用户任务实体 而设置的执行实体，是系统分配资源的 基本单位。
• 一个作业可以由一个或多个进程组成。 而一个进程不可能对应多个作业。
• 运行状态
• 作业被调度程序选中,并分配到它所需要的资源时调入内存运 行时的状态
• 完成状态
• 作业正常运行结束或因发生错误而终止时,释放占有的所有资 源,准备离开系统时的状态
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作业的状态转换
提交
进程调 度
程序
后备
运行 执行
就绪
等待
作业 注册 程序
作业 调度 程序
作业 终止 程序
完成
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4.2.1作业调度功能
• 作业调度是按照某种调度算法从后备作 业队列中选择作业装入内存运行，并当 作业运行结束后做后续处理。
• 选择作业 • 分配资源：分配内存和外设资源 • 建立作业的进程 • 建立其它相关表格 • 作业后续处理(收回资源/撤消PCB和JCB)
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4.2.2作业调度目标与性能衡量
• （1）所有系统 • 公平性：给每个进程公平的CPU份额。公平非常重要，
4
• 中级调度（中程调度、交换调度）
• 任务：把一些进程换出内存，从而使之进入“挂 起”状态，不参与进程调度。
• 目的：为了提高内存利用率和作业吞吐量。中级 调度决定那些进程被允许参与竞争处理器资源， 起到短期调整系统负荷的作用。
5
• 低级调度（进程调度、短程调度、微观调度）
• 任务：按照某种策略和方法从就绪队列中选取一 个进程，将处理及分配给它。就绪－>运行。
• 带权平均周转公式能够增加短作业对T值的影响
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• （3）交互式系统
• 响应时间（Response Time）：从发出命令到得到相应 之间的时间。
• 相称性（Proportionally）：用户对做一件事情需要多 少时间有一种固有的看法，计算机的处理时间应该与 之相吻合。比如用户双击鼠标运行暴风影音的程序看 电影，如果在几秒或十几秒之内能打开暴风影音的画 面，用户是可以接受的，但是如果花1、2分钟才能看 到这个画面，用户是很难接受的。相称性就是与用户 的期待相吻合。
第4章进程调度（处理机调度）
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.1 调度的概念
• 处理机是计算机系统中的重要资源
• 在多道程序环境下，进程数目通常多于处理 机的数目
• 系统必须按一定方法动态地把处理机分配给 就绪队列中的一个进程
• 处理机利用率和系统性能（吞吐量、响应时 间）在很大程度上取决于处理机调度
2
4.1.1作业的状态及其转换
10
4.2作业调度
作业的状态 作业从进入到运行结束，一般需要经历 “提交”、“后备”、“运行”和“完 成”四个阶段。
11
作业的状态
• 提交状态
• 作业从输入设备进入外存储器时的状态
• 后备状态
• 作业的全部信息调入外存后,系统将其加入后备作业队列时的 状态
• 系统将为每个作业建立一个作业控制表(JCT)
• 平均周转时间T＝周转时间总和÷作业数 • 周转时间＝完成时间－提交时间＝等待时间＋执行时间
• 带权平均周转时间
• 带权周转＝周转时间÷执行时间 • 平均带权周转时间W＝带权周转总和÷作业数
• T、W越小，系统作业吞吐量越大，系统性能越高
• 平均周转时间与带权平均周转时间区别：
• 平均周转时间公式中，长作业（周转时间长）对T值影响 大，短作业对T值影响小
6
图 调度的层次关系
7
• 调度模型
• *仅有进程调度的调度队列模型 • *具有高级和低级调度的调度队列模型（两
级） • 同时具有三级调度的调度队列模型（多级）
8
调度队列模型
• 同时具有三级调度的调度队列模型
作业调度
时间片完
后备队列 批量作业
就绪队列
进程调度
CPU
中级调度
就绪，挂起队列
挂起
进程完成
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• （4）实时系统 • 实时系统有着自己独特的指标，即：截止线和可预测
性。 • 截止线（Deadlines）：系统的运行必须满足截止时间
的要求。例如：如果在导弹发射的过程中，用户按下 取消的按钮，就必须立即响应，做出相应的取消动作， 否则导弹就会击中目标。 • 可预测性（Predictability）：在多媒体的实时系统中， 如果网络拥塞，那么音频和视频的数据会丢失很多， 如果要搜集齐所有的数据再播放，那么用户会难以忍 受。这就要求实时系统必须预测多少数据可以播放， 既不影响播放质量，又能保证播放速度。
• 作业
• 用户在一次解题或一个事务处理过程中要求 计算机系统所做工作的集合，包括用户程序、 所需的数据及命令等。
• 状态及转换(*)
3
4.1.2调度的层次
• 高级调度(作业调度、长程调度)
• 任务：是按一定的原则对外存上处于后备状态的 作业进行选择，给选中的作业分配内存、输入/ 输出设备等必要的资源，并建立相应的进程，放 入就绪队列，以使该作业的进程获得竞争处理机 的权利；并负责事后资源回收；作业具有获得处 理机的资格，但尚未占有处理机。
19
4.3进程调度 4.3.1进程调度的功能
• 选择占有CPU的进程 • 记录系统中所有进程的执行情况 • 进行进程上下文切换
• 进程上下文指发生进程切换时的运行现场，它由进 程的正文段、数据段、CPU的寄存器以及有关的数 据结构组成。
• 对于处理机而言，进程上下文是当前终止执行的进 程现场（上文）与即将运行的进程现场（下文）， 上下文切换的主要任务是保存当前进程的现场信息， 加载或恢复新进程的现场信息，使处理机实现在进 程之间的切换。
相似的进程应该得到相似的服务。对一个进程给予较 其他等价的进程更多的CPU时间是不公平的。 • 系统策略的强制执行：如果制定了系统的调度策略和 相应的算法，那么调度程序就必须保证能够强制执行 该策略。即执行的时候不打折扣。 • 均衡性：保持系统的所有部分尽可能都忙碌。如果 CPU和所有I/O设备都能够始终运行，那么相对于让某 些部件空转或闲置而言，每秒钟就可以完成更多的工 作。