处理机调度算法详解
处理机调度-调度算法
处理机调度-调度算法处理机调度-调度算法先来先服务（FCFS）调度算法概念将⽤户作业和就绪进程按提交顺序或变为就绪状态的先后排成队列，按照先来先服务的⽅式进⾏调度处理。
公平性1.直观看，该算法在⼀般意义下是公平的。
即每个作业或进程都按照它们在队列中等待时间长短决定它们是否优先享受服务2.但如果执⾏时间较短的作业或进程在某些执⾏时间很长的作业或进程之后到达，则它们将等待很长时间轮转法基本思路基本思路是让每个进程在就绪队列中的等待时间与享受服务的时间成⽐例过程将CPU的处理时间分成固定⼤⼩的时间⽚。
如果⼀个进程在被调度选中之后⽤完了系统规定的时间⽚，但未完成要求的任务，则它⾃⾏释放⾃⼰所占有的CPU⽽排到就绪队列的末尾，等待下⼀次调度。
同时，进程调度程序⼜去调度当前就绪队列中的第⼀个进程或作业。
轮转法只能调度可抢占资源轮转法只能⽤来调度分配那些可以抢占的资源。
将它们随时剥夺再分配给别的进程例⼦:CPU是可抢占资源的⼀种但如打印机等资源是不可抢占的作业调度不使⽤轮转法:由于作业调度是对除了CPU之外的所有系统硬件资源的分配，其中包含有不可抢占资源，所以作业调度不使⽤轮转法轮转法的时间⽚选取问题时间⽚长度的选择会直接影响系统开销和响应时间过短的问题:如果时间⽚长度过短，则调度程序剥夺处理机的次数增多。
这将使进程上下⽂切换次数也⼤⼤增加，从⽽加重系统开销过长的问题:如果时间⽚长度选择过长，例如⼀个时间⽚能保证就绪队列中所需执⾏时间最长的进程能执⾏完毕，则轮转法变成了先来先服务法由于时间⽚的选取要满⾜相应时间的要求，所以是有如下的关系:q=R/NmaxR：系统对响应时间的要求RNmax：就绪队列中所允许的最⼤进程数Nmax相应的关系:1.在q为常数的情况下，如果就绪队列中的进程数远⼩于Nmax，则响应时间R看上去会⼤⼤减⼩2.由于q值固定，从⽽进程上下⽂切换的时机不变，系统开销也不变。
3.CPU的整个执⾏时间等于各进程执⾏时间加上系统开销。
常用的调度算法
常用的调度算法调度算法是指操作系统中用于决定进程何时执行、何时暂停等的一种算法。
常用的调度算法包括先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、优先级调度、时间片轮转等。
下面将对这些常用的调度算法进行详细介绍。
一、先来先服务（FCFS）先来先服务是最简单的调度算法之一，它按照进程到达的顺序进行调度，即谁先到谁先执行。
这种算法容易实现，但是存在“饥饿”现象，即如果某个进程长时间等待，则其他进程可能会一直占用CPU资源，导致该进程无法得到执行。
因此，在实际应用中，FCFS很少被使用。
二、短作业优先（SJF）短作业优先是一种以作业运行时间为依据的调度算法。
它通过预测每个进程需要运行的时间，并将其按照运行时间从小到大排序，然后依次执行。
这种算法可以最大限度地减少平均等待时间和平均周转时间，并且不会出现“饥饿”现象。
但是，在实际应用中，由于很难准确预测每个进程需要运行的时间，因此SJF也存在缺陷。
如果预测不准确，那么就会出现长作业等待短作业的情况，导致长作业的等待时间变长。
三、优先级调度优先级调度是一种按照进程优先级进行调度的算法。
每个进程都有一个优先级，系统会根据进程的优先级来决定下一个要执行的进程。
通常情况下，优先级越高的进程越有可能得到CPU资源。
但是，如果某个进程的优先级一直比其他进程高，那么其他进程就会一直等待，导致“饥饿”现象。
此外，在实际应用中，由于不同进程之间的优先级差别较大，因此可能会导致低优先级的进程长时间等待。
四、时间片轮转时间片轮转是一种按照时间片进行调度的算法。
它将CPU资源划分成若干个时间片，并将每个时间片分配给一个正在运行或等待运行的进程。
当一个进程用完了它所分配到的时间片后，系统会将其挂起，并将CPU资源分配给下一个等待运行的进程。
这种算法可以避免“饥饿”现象，并且能够保证所有正在运行或等待运行的进程都能够得到CPU资源。
但是，如果时间片太小，会导致进程频繁切换，影响系统性能；如果时间片太大，会导致长作业等待时间变长。
论述处理机调度算法中平均等待时间、平均周转时间等的计算方法与过程。并列举实例。
论述处理机调度算法中平均等待时间、平均周转时间等的计算方法与过程。
并列举实例。
处理机调度算法是操作系统中比较重要的一个技术，它能够有效地提高系统的效率和响应速度。
在处理机调度算法中，我们需要计算出一些关键指标，比如平均等待时间和平均周转时间等，以评估算法的效果。
下面就详细介绍一下这些指标的计算方法和过程。
1. 平均等待时间的计算方法与过程：平均等待时间指的是所有作业在进入就绪队列之后，等待被CPU执行的平均时间。
它的单位是时间片。
计算平均等待时间的方法是：首先记录下每个作业进入就绪队列的时间，然后等到该作业被CPU执行时，计算出它在就绪队列中等待的时间，最后将所有作业的等待时间加起来，再除以总作业数，即可得到平均等待时间。
举个例子，假设有三个作业A、B、C，它们分别进入就绪队列的时间为0、1、2，执行结束时间分别为3、5、8。
那么它们在就绪队列中等待的时间分别为3、4、6，总等待时间为13。
因此平均等待时间为13/3=4.33个时间片。
2. 平均周转时间的计算方法与过程：平均周转时间指的是所有作业从进入系统到执行结束所花费的平均时间。
它包括等待时间和执行时间两部分，单位也是时间片。
计算平均周转时间的方法是：首先记录下每个作业进入系统的时间和执行结束时间，然后计算出每个作业的周转时间，最后将所有作业的周转时间加起来，再除以总作业数即可得到平均周转时间。
举个例子，假设有三个作业A、B、C，它们进入系统的时间分别为0、1、2，执行结束的时间分别为3、5、8，而它们的执行时间分别为3、4、6。
那么它们的周转时间分别为3、4、6+6=12，总周转时间为19。
因此平均周转时间为19/3=6.33个时间片。
总之，在处理机调度算法中，我们若要评估算法的效果，就需要计算出平均等待时间和平均周转时间等指标，以便分析算法的优劣并调整优化算法。
处理机调度算法的模拟
处理机调度算法的模拟在计算机操作系统中，处理机调度算法决定了在多个进程或任务同时存在的情况下，哪个任务将获得处理机的使用权，以及在多个任务之间如何切换。
处理机调度算法可以按照多个指标进行优化，例如响应时间、吞吐量、周转时间和等待时间等。
以下是几种常见的处理机调度算法：1.先来先服务（FCFS）：先来先服务是最简单的调度算法之一，它按照任务到达的先后顺序分配处理机资源。
这种算法的优点是简单易实现，但是当存在长作业（任务）时，会导致其他短作业的等待时间过长。
2.短作业优先（SJF）：短作业优先调度算法根据任务的估计执行时间来进行调度，优先执行估计执行时间短的任务。
这种算法可以减少任务的等待时间，但对于长作业来说，可能会导致饥饿现象。
3.优先级调度：优先级调度算法根据任务的优先级进行调度，优先级高的任务先获得处理机的使用权。
这种算法可以根据不同任务的紧急性和重要性来确保任务得到适当的优先级处理。
但是，如果优先级设置不合理，可能会导致一些任务永远得不到执行。
4.时间片轮转调度：时间片轮转调度算法是一种公平的调度算法，它将处理机的使用权按照时间片划分给不同的任务，每个任务只能执行一个时间片的任务。
如果任务在时间片结束之前没有完成，它将被放回到任务队列的末尾继续等待。
这种算法可以确保每个任务都有机会获得处理机的使用权，但是可能会存在上下文切换的开销。
以上只是几种常见的处理机调度算法，实际上还有许多其他算法以及它们的变体，例如最短剩余时间优先（SRTF）、多级反馈队列调度（MFQ）等。
每种调度算法都有不同的优缺点，选择适合的调度算法取决于系统的需求和资源限制。
为了模拟处理机调度算法，可以使用计算机模拟软件或编写自己的模拟程序。
模拟程序可以模拟任务的到达和执行过程，按照指定的调度算法进行任务的分配和切换，并统计不同指标（如响应时间、吞吐量等）来评估算法的性能。
在模拟处理机调度算法时，需要考虑以下几个方面：1.任务的到达过程：任务可以按照随机分布的方式到达，模拟任务的到达时间和资源需求。
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。
操作系统第13讲：第4章 处理机调度调度算法.ppt
2019/10/31
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4.6 实时系统调度方算法简介
四、时限调度算法
导语：基本思想是：按用户的时限要求顺序设置优先级，优先
●实时系统所处理的外部任务可分为周期性的与非周期性的两大类。非周期性 任务，存在有一个完成或开始进行处理时限；而周期性任务要求在周期T内 完成或开始进行处理。
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4.6 实时系统调度算法简介
一、实时系统的特点
1．有限等待和响应时间（决定性） 2．可靠性高 3．用户可以控制 4．系统纠错能力强，实时系统要求很高的可靠性。
导语：
●实时系统广泛用在移动通信、网络计算、航空航天等领域。os是实时系统中 最重要的部分之一,它负责在用户要求的时限内进行事件处理和控制。
●实时系统与其他系统的最大区别：处理和控制的正确性不仅取决于计算的逻 辑结果，而且取决于计算和处理结果产生的时间。因此，实时系统的调度， 即把给定的任务，按所要求的时限调配到相应的设备上处理完成。根据实 时系统对处理外部事件的时限要求，分为硬、软实时任务。 ◆硬实时任务要求系统必须完全满足任务的时限要求。 ◆软实时任务允许时限要求有一定的延迟，时限要求只是一个相对条件。
注意P90: 周转T、完成T、提交T、带权周转T等概念在公式中的含义。 ●分析结论:P3 执行的时间非常短，但等待时间过长，显然是不合理的。
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4.4 调度算法
二、短作业或短进程调度算法（SJF）
1. 适应范围：作业或进程 2. 原则：选取最短作业或进程进行执行 3. 优点：当短作业或短进程较多时，系统效率较高 4. 缺陷：对长作业不利，设有考虑优先级
操作系统实验一处理机调度算法的实现
操作系统实验一处理机调度算法的实现操作系统中的处理机调度算法是为了合理地分配和利用处理器资源，提高系统的性能和响应速度。
这些算法主要用于决定下一个要执行的进程或线程。
在本篇文章中，我们将介绍几种常见的处理机调度算法以及它们的实际应用。
首先，我们要了解什么是处理机调度算法。
处理机调度是指从就绪队列中选择一个进程，并分配处理机给它。
调度算法的目标是合理地选择进程，以达到最佳的系统性能指标。
这些指标可以包括响应时间、吞吐量、公平性等。
最简单的调度算法是先来先服务（FCFS）。
这种算法按照进程到达的顺序来进行调度。
当一个进程完成后，下一个进程在队列头被选中执行。
FCFS算法的优点是实现简单，但缺点是不考虑进程的执行时间，导致平均等待时间较长。
FCFS主要用于批处理环境中，例如打印任务的排队。
另一种常见的调度算法是短作业优先（SJF）。
这种算法选择剩余执行时间最短的进程进行调度。
为了实现SJF算法，系统需要预测进程的执行时间，这可能是一个难题。
SJF算法的优点是能够最小化平均等待时间，但缺点是可能导致长作业的饥饿。
SJF算法主要用于交互式系统或具有预测性能的任务。
另一个常见的调度算法是轮转调度（RR）。
这种算法将处理机时间分成一定大小的时间片（时间片就是一段处理器运行的时间），每个进程在一个时间片内执行，然后进入队列尾部等待。
轮转调度算法的目的是实现公平性，每个进程都有机会被执行。
RR算法的优点是能够减少各个进程的响应时间，但缺点是可能造成高负载下的处理机浪费。
RR算法主要用于实时系统或多用户环境。
另一个调度算法是最高响应比优先（HRRN）。
响应比是指进程等待时间与预计执行时间的比率。
HRRN算法选择响应比最高的进程进行调度。
这种算法考虑了等待时间和执行时间的权衡，能够实现较好的性能。
但是，HRRN算法计算响应比需要实时监测和更新进程的等待时间和执行时间。
HRRN算法适用于交互式或多用户系统。
还有一种常见的调度算法是最短剩余时间优先（SRTF）。
处理机的调度算法分类
处理机的调度算法分类
处理机的调度算法是指操作系统的一种重要机制，用于在多个进程之间分配和利用处理器资源。
根据不同的策略和目标，处理机的调度算法可以分为以下几种类型：
1. 先来先服务（FCFS）调度算法
先来先服务调度算法是一种简单的调度算法，它按照进程到达的顺序来分配处理器资源。
即，先到达的进程先被执行。
这种算法的优点是简单易实现，但是它没有考虑进程执行时间的差异，可能会导致长时间等待。
最短作业优先调度算法是一种根据进程执行时间长度来分配处理器资源的方法，执行时间短的进程优先得到处理器资源。
这种算法对缩短平均等待时间和平均周转时间有很好的效果，但由于需要预测进程执行时间，所以难以实现。
3. 优先级调度算法
优先级调度算法是一种通过为每个进程分配优先级，并按照优先级来分配处理器资源的方法。
高优先级的进程先被执行，但由于进程间优先级差异过大导致的低优先级进程饥饿问题，所以该算法应用不广泛。
4. 时间片轮转调度算法
时间片轮转调度算法是一种根据时间片长度来分配处理器资源的方法，每个进程被分配一个时间片，当时间片用完后，处理器资源就被分配给下一个进程。
这种算法可以轻松地实现进程并发和多任务处理，但是对于系统计算要求高或进程数较多时，系统响应速度会降低。
多级反馈队列调度算法是一种结合了时间片和优先级的方法。
每个进程被分配一个初始优先级和时间片长度，当进程使用完当前时间片时，优先级降低且时间片长度增加。
这种算法既保证了优先级的考虑，也避免了长时间等待或者进程饥饿问题。
最后，需要指出的是，不同的调度算法适用于不同的场景，需要根据具体需求进行选择和应用。
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关于处理机调度算法
《操作系统》教材中，介绍了常用的作业调度算法和进程调度算法。
其中先来先服务法（FCFS）和优先级法对作业调度和进程调度都适用，时间片轮转法（RR）适用于进程调度。
此外，还介绍了其他调度算法，如短作业优先法、最短剩余时间优先法、多级队列法和多级反馈队列法，这4个算法不是课程的重点内容，不作为考核要求。
需要指出的是：（1）在作业调度和进程调度中同时出现的算法，如FCFS、优先级法，其使用原理是基本相同的；（2）作业调度算法和进程调度算法应严格与存储管理中的“请求淘汰换页算法”相区别，注意不要混淆。
下面，结合具体的例题，详解调度算法：
1. 先来先服务法（FCFS）
算法描述：每次调度时，从后备作业队列或就绪队列中选择一个最先进入该队列的作业或进程。
【例1】下表给出作业l，2，3的到达时间和运行时间。
采用先来先服务调度算法，试问作业调度的次序和平均周转时间各为多少？（时间单位：小时，以十进制进行计算。
）
分析解题关键是要根据系统采用的调度算法，弄清系统中各道作业随时间的推进情况。
我们可以用一个作业执行时间图来形象地表示作业的执行情况，帮助我们理解此题。
先来先服务调度算法是按照作业到达的先后次序挑选作业，先进入的作业优先被挑选。
即按照“排队买票”的办法，依次选择作业。
其作业执行时间图如下：
或者简化为下图：
作业1 作业2 作业3
| | | | 时间
0 8 12 13
由于作业1，2，3是依次到来的，所以刚开始时系统中只有作业1，于是作业1被选中。
在8.0时刻，作业1运行完成，这时作业2和作业3已经到达，都在系统中等待调度，按照先来先服务法的规定，每次调度最先进入就绪队列中的作业，由于作业2比作业3先到达，于是作业2被优先选中运行。
待作业2运行完毕，最后运行作业3。
因此，作业调度的次序
是1，2，3。
另外，要记住以下周转时间和平均周转时间的算术公式： 作业i 的周转时间T i ＝作业i 的完成时间－作业i 的提交时间
系统中n 个作业的平均周转时间n
T T n
i i 1)(1
⨯
=∑=，其中Ti 为作业i 的周转时间。
解：采用先来先服务调度策略，作业调度次序为l 、2、3。
作业号 到达时间 运行时间 开始时间 完成时间 周转时间 1 0.0 8.0 0.0
8.0
8.0 2 0.4 4.0 8.0 12.0 11.6 3
1.0
1.0
12.0
13.0
12.0
平均周转时间T ＝（8＋11.6＋12）/3＝10.53
思考题1
在某操作系统中，设有三个批处理作业，所需执行时间分别为2 小时，1小时和25分钟，相继到达时间分别为6：00、6：10和6：25。
若对这三个批处理作业采用调试算法S1，其执行情况如下：
作业号 到达时间 开始执行时间 执行结束时间 1 6：00 6：00 8：00 2 6：10 8：00 9：00 3 6：25 9：00 9：25
则调试算法S1属于（ ）。
A ．优先级法
B ．先来先服务法
C ．短作业优先法
D ．时间片轮转法
2. 时间片轮转法（RR ）
算法描述：用于分时系统中的进程调度。
每次调度时，总是选择就绪队列的队首进程，让其在CPU 上运行一个系统预先设置好的时间片。
一个时间片内没有完成运行的进程，返回到绪队列末尾重新排队，等待下一次调度。
【例2】进程A 、B 、C 、D 需要运行的时间分别为20ms 、10 ms 、15 ms 、5 ms ，均在0时刻到达。
到达的先后次序为A →B →C →D 。
如果时间片分别为1 ms 和5ms ，计算各个进程的带权周转时间和平均带权周转时间。
分析 在掌握了时间片轮转法概念的基础上，我们可以用一个执行时间图来形象地表示作进程的执行情况，帮助我们理解此题。
具体如下：
根据执行时间图就可以计算各个进程的带权周转时间和平均带权周转时间了。
这里要注意的是，要记住带权周转时间和平均带权周转时间的算术公式：
带权周转时间W ，即：
W=
R
T
其中T 为周转时间，R 为实际运行时间。
平均带权周转时间为：
n R T n W W n i i i n i i 1
111⨯⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∑∑==
解：采用时间片轮转法进行调度，算法的性能指标如下：
感兴趣的同学还可以根据时间片从1~10的变化，多计算几次，并分析每次计算得到的平均周转时间，做一条平均周转时间随时间片变化的曲线，来体会时间片的变化对平均周转时间的影响，并分析原因。
思考题2
时间片轮转调度算法是为了（）。
A．多个终端都能得到系统的及时响应B．先来先服务
C．优先级高的进程先使用CPU D．紧急事件优先处理
3. 优先级法
算法描述：优先级调度算法总是从后备作业队列或进程就绪队列中选中优先级最高的作业或进程。
【例3】设有进程A、B、C、D依次进入就绪队列（相隔一个时间单位），它们的优先级（数值大的优先级高）如下表所示：
分析关于优先级和优先数
优先级一般用某个固定范围内的整数表示，例如0～7或0～4095中的某一个数。
这种整数称作优先数。
值得注意的是，优先级与优先数的对应关系因系统而异，在有些系统中优先数越大，优先级越高；而另外一些系统则恰恰相反，优先数越小，优先级越高，如UNIX/Linux系统就是这样。
本书采用“优先数小、优先级高”的表示方式。
为了简化优先级的表示，避免优先级和优先数混淆，我们约定：在练习和考试中不使用优先数，直接用数值表示优先级，数值大的表示优先级高。
以本题为例，按照约定，进程C的优先级最高，进程B的优先级最低。
此外，静态优先级的含义是在进程运行期间，其优先级保持不变。
而动态优先级往往是根据系统的情况不断改变的，本题采用静态优先级使得问题的描述相对简单了。
解：采用静态优先级，进程A最先就绪，在0时刻先占有CPU运行，随后1时刻进程B进入就绪队列，2时刻进程C进入就绪队列，3时刻进程D进入就绪队列。
由于采用静态优先级，不容许随时间的推移改变进程的优先级，所以当进程A运行结束时，系统的就绪队列中有B、C、D三个进程，而进程C优先级最高，于是选中C；这样分析下去，进程的执行次序是A-C-D-B。
思考题3
假定在单CPU条件下有下列要执行的作业：
在采用非抢占式优先级算法时，请计算各个作业的周转时间、平均周转时间、带权周转时间和平均带权周转时间。
先服务法和优先级法结合使用。
还有一些调度算法本身就包含着几种基本调度算法。
不同的系统和系统目标，采用的调度算法也不相同。
思考题参考解答
思考题1：B
思考题2：A
思考题3：
说明：以上内容仅作为教学辅导材料，不作为考核内容。