操作系统考研资料：第四章 处理机调度学习指导材料
操作系统 第四章 处理机调度
4.1 分级调度
操作系统中一个程序运行相关的概念： ★操作系统中一个程序运行相关的概念：作 业、进程、线程。它们是程序在计算机中 进程、线程。 不同运行阶段的不同体现， 不同运行阶段的不同体现，为此应该有不 同的调度程序。 同的调度程序。
程序的各种状态及相应的调度方式
★提交状态：一个作业从输入设备进入外存的过程叫做 提交状态：一个作业从输入设备进入外存的过程叫做 输入设备进入外存 提交状态，这时的作业不能被调度 不能被调度。 提交状态，这时的作业不能被调度。 ★后备状态：当一个作业的全部都已经进入了输入井， 后备状态：当一个作业的全部都已经进入了输入井， 输入井 未运行之前叫做后备状态 收容状态）。 叫做后备状态（ 未运行之前叫做后备状态（收容状态）。 ★运行状态：作业调度程序从后备作业中选择一个作业 运行状态： 内存运行，并为它创建进程 分配资源。 创建进程和 到内存运行，并为它创建进程和分配资源。这些被选 中的作业处于执行状态， 中的作业处于执行状态，执行状态的作业并不一定占 用处理机，哪个进程占用处理机由进程调度程序决定。 用处理机，哪个进程占用处理机由进程调度程序决定。 这个状态中还包括：就绪状态、执行状态和等待状态。 这个状态中还包括：就绪状态、执行状态和等待状态。 ★完成状态：当作业运行完毕后，它所占用的资源并未 完成状态：当作业运行完毕后， 全部释放。 全部释放。
作业调度程序的处理流程
4.2.2 作业调度算法的目标和性能衡量
调度目标： ★调度目标： 1）对所有的作业应该是公平合理的。 ）对所有的作业应该是公平合理的。 2）应使设备有较高的利用率。 ）应使设备有较高的利用率。 3）单位时间内执行尽可能多的作业。 ）单位时间内执行尽可能多的作业。 4）有快的响应时间。 ）有快的响应时间。 ★由于这些目标的相互冲突，任一调度算法要想同时 由于这些目标的相互冲突， 满足上述目标是不可能的。 满足上述目标是不可能的。
操作系统学习资料-第四章 处理机调度
提交 状态
收容 状态
输入管理系统
外存 就绪
等待
就绪 等待
进程调度 内存 执行 作业调度
第3级：进程调度、 微观调度、低级调 度
选取一个处于就绪 交换调度 状态的进程占用处
完成
理机，之后，进行
状态
上下文切换以便建
线程调度 立与占用处理机进
程相适应的执行环
境。
4.1 分级调度
2 调度的层次
提交 状态
收容 状态
作业的当前状态
处于后备状态时，可被调度
4.2 作业调度
1 作业调度的功能
（1）记录系统中各作业的状况 （2）从后备队列中选择一部分作业投入 运行（涉及调度算法） （3）为被选中的作业做好执行前的准备 （建立进程、为进程们分配系统资源） （4）作业执行结束时的后处理
4.2 作业调度
2 作业调度中状态的转换
忙的作业。
4.4 调度算法（重点）
2 短作业优先 (SJF, Shortest Job First) 对FCFS算法进行了改进，其目标是减少平 均周转时间。
（1） 算法思想 对预计执行时间短的作业（进程）优先
分派处理机。通常后来的短作业不抢先正 在执行的作业
4.4 调度算法（重点）
2 短作业优先 (SJF, Shortest Job First) （2） 优点 ① 比FCFS改善平均周转时间和平均带权 周转时间，缩短作业的等待时间； ② 提高系统的吞吐量。
1）周转时间Ti=作业完成时刻(Tei)-作业
提交时刻(Tsi) =作业等待时间(Twi)+作业
执行时间(Tri)
2）平均周转时间
T
1 n
n
Ti
i 1
计算机操作系统 第四章 处理机调度
实时调度方法
实时系统调度算法 1）单比率调度算法 规定：运行频率越高的进程其优先
就数越高。 调度时总是选中优先数最高的就绪
进程，并采取剥夺式分配策略。 可以证明该算法是最优的。
实时调度方法
实时系统调度算法 2）限期调度算法 基本思想：进程就绪队列按截止期
限排序。对于一个周期性事件，其截 止期限即为事件下一次发生的时间。
选估计计算时间最短的作业投入运行。 这是一种非剥夺式算法，用户提交作
业的同时给出估计计算时间。 这个算法显然有利于短作业。
调度算法
最短作业优先SJF（Shortest Job First ） 主要不足：
1）估计计算时间难以精确； 2）长作业可能会出现饥饿现象；
该算法仅适用于作业调度。
调度算法
最高响应比（HRRF，Highest Response Ratio First）算
先来先服务（FCFS） 在实际操作系统中，尽管很少单独使
用FCFS算法，但和其他一些算法配合 起来，FCFS算法在os中均有实现。
例如: 基于优先级的算法中对于相同 优先级的作业即采用FCFS方式。
调度算法
最短作业优先SJF（Shortest Job First ） 算法以作业的估计计算时间为依据，
法
响应比定义：响应比的计算公式与？差不多？
响应比＝作业等待时间/作业计算时间
每当调度时，先计算每个作业的响应比值， 选择响应比最高者运行。
该算法属于非剥夺式算法。
调度算法
最高响应比算法 该算法既考虑作业等待时间，又考虑作业
的计算时间。同等条件优待短作业，同时又 不使长作业的等待时间过长，改进了调度性 能。
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操作系统-第四章处理机调度
研究如何通过调度策略降低系统能耗，实现绿色计算和节能减排。
人工智能和机器学习在调度中的应用
利用人工智能和机器学习的技术，实现智能化的调度决策，提高系统 的自适应性和鲁棒性。
THANKS
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03
先来先服务调度算法
算法描述
按照作业到达的先后顺序进行调度， 优先级从高到低依次为先来先服务。
当处理机空闲时，该算法将按照等待 队列的顺序依次取出作业进行处理。
当一个作业等待时，该算法将按照到 达的顺序依次将作业放入等待队列中。
算法优缺点
优点
实现简单，公平性较好，适合用 于批处理系统。
缺点
效率较低，因为短作业等待长作 业完成，可能导致资源利用率不 高。
• 动态调度：在这种调度算法中，进程的优先级可能会随着系统状态的变化而改 变。常见的动态调度算法有最短剩余时间优先（SRTF）、最高响应比优先 （HRRN）和时间片轮转（RR）。
02
进程调度的基本概念
进程调度的概念
进程调度
进程调度的基本单位
操作系统根据一定的调度算法，将处 理机分配给进程，以实现进程的执行。
• 适用于不同性质进程：优先级调度算法可以适用于不同性 质和需求的进程，根据其重要性和紧迫程度进行调度。
算法优缺点与适用场景
可能导致饥饿
如果系统中存在大量高优先级的进程，低优先级的进程可能会长时间得不到执行，导致饥饿问题。
不利于系统资源的均衡利用
高优先级的进程可能会长时间占用处理机，导致其他进程等待时间过长，不利于系统资源的均衡利用 。
时间片，即分配给进程的执行时间长 度。
进程调度的目标
提高处理机的利用率，减少等待时间， 实现公平合理的资源分配。
操作系统第四章49页PPT文档
抢占方式 把处理器分配给某个进程后，在该进程尚未终止 或阻塞时，允许系统调度程序根据某种原则，暂 停正在执行的进程，回收已经分配的处理器，并 将处理器重新分配给其它更为紧急的进程。
4. 线程调度
作业与进程的关系
作业是用户向计算机提交任务的任务实体。一 个作业是指在一次应用业务处理过程中，从输 入开始到输出结束，用户要求计算机所做的有 关该次业务处理的全部工作。进程则是计算机 为了完成用户任务实体而设置的执行，是系统 分配资源的基本单位。一个作业总是由一个或 多个进程组成的。作业分解为进程的过程是： 系统首先为一个作业创建一个根进程。然后， 在执行作业控制语句时，根据任务要求，系统 或根进程为其创建相应的子进程。最后，进行 进程调度，为各子进程分配资源和调度各子进 程执行，以完成作业要求的工作。
调度的层次
2. 交换调度：
3.
又称中级调度。其主要任务是按照给
定的原则和策略，将处于外存交换区中的
就绪状态或等待状态的进程调入内存，或
把处于内存就绪状态或内存等待状态的进
程交换到外存交换区。
调度的层次
3．进程调度 进程调度又称为低级调度或微观调度。其主要任务是按 照某种策略和算法，将处理机分配给一个处于就绪状态 的进程。进程调度可分为下列两种方式：
提交状态 后备态 运行态 完成
进入系统的时间开始执行时间已运行时间内存 地址外设台数
作业的优先级
作业调度的功能
2．从后备队列中挑选出一部分作业投入执行。作业调度程 序根据选定的调度算法，从后备作业队列中挑选出若干 作业去投入执行。
3．为被选中作业做好执行前的准备工作。作业调度程序为 选中的作业建立相应的进程，并为这些进程分配它们所 需要的系统资源，如分配给它们内存、外存、外设等。
操作系统--处理机调度
2. 带权周转时间 作业的周转时间包含了两个部分，即等待时间和 执行时间。为了更进一步反映调度性能，使用带权 周转时间的概念。带权周转时间是作业周转时间与 作业执行时间的比： Wi=Ti/Tri 对于被测定作业流所含有的几个作业来说，其平 均带权周转时间为： n 对于分时系统，除了要保证系统吞吐量大、资源 利用率高之外，还应保证有用户能够容忍的响应时 间。因此，在分时系统中，仅仅用周转时间或带权 周转时间来衡量调度性能是不够的。
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（3）进行进程上下文切换
一个进程的执行是在进程的上下文中执行。当正在
执行的进程由于某种原因要让出处理机时，系统要做进
（要求输入／输出量大，也称为I/O-约束型，即作业花
费在输入/出操作上的时间比花费在计算上的时间多）， 或图形设计型（要求高速图形显示）等。作业调度时应 该精选要调度的作业，即混有 I/O-约束的作业和 CPU约束的作业。
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资源要求则包括： 该作业估计执行时间、要求最迟完成时间、要 求的内存量和外存量、要求的外设类型及台数以 及要求的软件支持工具库函数等。资源要求均由 用户提供。 资源使用情况包括： 作业进入系统时间、开始执行时间、已执行 时间、内存地址、外设台数等。 优先级： 用来决定该作业的调度次序。优先级既可以 由用户给定，也可以由系统动态计算产生。 状态： 是指该作业当前所处的状态。显然，只有当 作业处于后备状态时，该作业才可以被调度。
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1. 周转时间：
作业i的周转时间Ti为 Ti=Tei-Tsi 其中Tei为作业i的完成时间，Tsi为作业的提交时 间。对于被测定作业流所含有的n（n>=1）个作业来 说，其平均周转时间为： 1 n T= Ti n i =1 一个作业的周转时间说明了该作业在系统内停留 的时间，包含两部分：等待时间；执行时间，即： Ti=Twi＋Tri 这里，Twi主要指作业i由后备状态到执行状态的 等待时间，它不包括作业进入执行状态后的等待时 间。
04第四章 处理机调度
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操作系统讲义
4.4 调度算法
先来先服务 时间片轮转算法 短作业优先 优先级算法 多级队列算法 多级反馈队列算法
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操作系统讲义
1.先来先服务(FCFS)
调度的基本原则是按照作业到达系统或进程进入就绪队列的 先后次序来选择作业或进程；
注：FCFS很少用作主要的调度策略，但它常与其它调度算法 结合使用。
② 平均带权周转时间为：W = Wi /n
i 1
n
6
操作系统讲义
4.3 进程调度
1.进程调度的功能
记录系统中所有进程的执行情况。操作系统的进程管理模块
必须将系统中各进程的执行情况和运行状态记录在各进程的 PCB表中。
选择占有处理机的进程。进程管理模块按照一定的策略选择
一个处于就绪状态的进程，使其获得处理机执行。
例如：运算量大的作业和I/O量大的作业在一起运行，这样 可使各种资源得到充分利用。
1
操作系统讲义
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
分级调度 作业调度 进程调度 调度算法 算法评价 实时系统调度算法
2
操作系统讲义
4.1 分级调度
1. 作业状态及其转换图
就绪 外存 等待
交换调度
提交 状态
收容 状态
操作系统-第四章 处理机调度
4.2 作业调度
2 作业调度中状态的转换
否
后备作业
从中
审核
队列空？ 选一作业 资源要求
是
资源要求 能满足？
分配 资源
建立 进程
进程 调度
否
放弃 该作业
从后备状态到执行状态
回收该作业 占用的资源
计算该作业 的执行费用
撤销该作业 进程及JCB
从执行状态到完成状态
调度 下一个作业
4.2 作业调度
3 作业调度目标与性能衡量
Activate
Ready
Release
Running
Exit
Timeout
Event Occurs
Event Occurs
Blocked Suspend
Activate
Blocked
微观调度
中级调度 宏观调度
多选题 1分
下列有关作业的叙述中,_________是正确的。
A 作业一旦被作业调度选中,即占有了CPU
（2） 定量衡量
① CPU利用率 ② 进程在队列中的等待时间与执行时间之比
单选题 1分
一个进程处于等待状态,则该进程所属的作业存在于( )中。
A 内存 B 外存 C 高速缓存 D 寄存器
提交
4.4 调度算法（重点）
1 先来先服务（FCFS) （2） 算法思想
① 按照作业或进程变为就绪状态的先后次序，分派CPU； ② 当前作业或进程占用CPU，直到执行完或阻塞，才出让CPU
多选题 1分
一个作业从进入系统到运行结束,经历的状态包括_________。
A 进入状态 B 就绪状态 C 后备状态 D 运行状态 E 完成状态
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第四章处理机调度与死锁
4.1 知识点汇总
1、处理机调度级别
⑴调度：选出待分派的作业或进程
⑵处理机调度：分配处理机
⑶三级调度：高级调度（作业调度）、中级调度（内存对换）、低级调度（进程调度）
2、作业状态
⑴作业状态分为四种：提交、后备、执行和完成。
⑵作业状态变迁图：
图4-1 作业状态及变迁
1
3、作业调度和调度的功能
⑴. 作业调度的任务
后备状态→执行状态执行状态→完成状态
⑵作业调度的功能
①记录系统中各个作业的情况
②按照某种调度算法从后备作业队列中挑选作业
③为选中的作业分配内存和外设等资源
④为选中的作业建立相应的进程
⑤作业结束后进行善后处理工作
4、进程调度和调度的功能
1）. 进程调度：后备状态→执行状态
2）. 进程调度时机：任务完成后、等待资源时、运行到时了、发现重调标志
3）. 进程调度的功能：保存现场、挑选进程、恢复现场
5、两级调度模型作业调度和进程调度的区别
2
6、评价调度算法的指标
调度性能评价准则：CPU利用率、吞吐量、周转时间、就绪等待时间和响应时间
（1）吞吐量：单位时间内CPU完成作业的数量
（2）周转时间：
1) 周转时间=完成时刻－提交时刻
2) 平均周转时间=周转时间／n
3) 带权周转时间=周转时间／实际运行时间
4) 平均带权周转时间=带权周转时间／n
7、作业与进程调度算法
（1）先来先服务（FCFS）
调度算法的实现思想：按作业（进程）到来的先后次序进行调度，即先来的先得到运行。
用于作业调度：从作业对列（按时间先后为序）中选择队头的一个或几个作业运行。
用于
3
进程调度：从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程投入运行。
例如设有三个作业，编号为1，2，3。
各作业分别对应一个进程。
各作业依次到达，相差一个时间单位。
①图示出采用FCFS方式调度时这三个作业的执行顺序
②算出各作业的周转时间和带权周转时间
（2）时间片轮转（RR）
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调度算法的实现思想：系统把所有就绪进程按先进先出的原则排成一个队列。
新来的进程加到就绪队列末尾。
每当执行进程调度时，进程调度程序总是选出就绪队列的队首进程，让它在CPU上运行一个时间片的时间。
当时间片到，产生时钟中断，调度程序便停止该进程的运行，并把它放入就绪队列末尾，然后，把CPU分给就绪队列的队首进程。
时间片：是一个小的时间单位,通常10~100ms数量级。
例如设四个进程A、B、C和D依次进入就绪队列（同时到达），四个进程分别需要运行12、5、3和6个时间单位。
①图示RR法时间片q=1和q=4示进程运行情况
②算出各进程的周转时间和带权周转时间
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（3）优先级调度算法的实现思想：
从就绪队列中选出优先级最高的进程到CPU上运行。
给每个进程赋予一个优先级，带有最高优先级的进程最先执行。
又分为静态优先级和动态优先级。
动态优先级在不断地降低着处于运行态的进程的优先级，以防止优先级高的进程不断地执行。
1) 两种不同的处理方式：非抢占式优先级法、抢占式优先级法
2) 两种确定优先级的方式：静态优先级、动态优先级
例如假定在单CPU条件下有下列要执行的作业：
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②算出各作业的周转时间和带权周转时间
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（4）短作业优先SJF
占用CPU时间最短的进程先运行。
事先要估计程序运行的时间
（5）最短剩余时间优先
剩余运行时间最短的进程最先运行。
也要事先估计程序运行的时间
（6）最高响应比优先HRN
响应比最高的进程最先执行。
响应比=1+等待时间/估计运行时间。
该算法结合了FCFS 和SJF算法。
（7）多级反馈法（多重队列法）
不同进程的时间片不同；进程采用动态优先级；优先级与时间片结合在一起，优先级越高，时间片越短。
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