操作系统讲稿-3-2012

5.进程调度（CPU调度）

要解决的问题
WHAT：按什么原则分配CPU —进程调度算法 WHEN：何时分配CPU —进程调度的时机 HOW：如何分配CPU —CPU调度过程（进程的上下文切换）
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（1）进程调度功能

调度功能： 记录所有进程的运行状况（静态和动态） 当进程出让CPU或调度程序剥夺执行状态进 程占用的CPU时，选择适当的进程分派CPU 完成上下文切换

优点：实现简单、公平 缺点：没考虑资源利用率和作业的特殊性

短作业优先（SJF）：以要求运行时间长短进行调度， 即启动要求运行时间最短的作业。


优点：易于实现，强调了资源的充分利用，保证了系统的最大 吞吐量（单位时间里处理作业的个数）。 缺点：不公平，会造成长作业长期等待。 结论：假设系统中所有作业同时到达，可以证明采用SJF能得到 最短的作业平均周转时间。
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1.处理机调度的层次(续2)

高级调度: 发生在新进程的创建中 中级调度: 根据系统的当前负荷情况决定停留在主存中 进程数； 低级调度: 则是决定哪一个就绪进程或线程占有CPU 运 行。 低级调度是各类操作系统必须具有的功能；



在多道批处理系统中，既有高级调度（作业调度程 序），又有低级调度（进程调度程序），也可以采用 中级调度； 在分时系统或具有虚拟存储器的操作系统中，只有低 级调度，且专门引进了中级调度。

缺点: 增加了计算，增加了开销
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作业调度算法

高优先级优先： （HPF：Highest Priority First）
由用户指定作业优先级，优先级高的作业先启动。 由用户规定优先数（外部优先数） 用户提交作业时，根据急迫程度规定适当的优先数 作业调度程序根据JCB优先数决定进入内存的次序 由系统计算优先数（内部优先数）
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选择调度算法的原则(续1)




(3)周转时间 批处理用户从作业提交给系统开始，到作业完成中间的 时间间隔。 (4)吞吐率 使得单位时间内处理的作业数尽可能多。 (5)等待时间 指作业或进程从进入系统到被调度到并开始执行所经历的 时间。 (6)公平性 确保每个用户每个进程获得合理的CPU 份额或其他资源 份额，不会出现饿死情况。 上述这些指标不是所有操作系统在设计时都要达到最优， 而必须根据操作系统类型的不同进行权衡。
例2：将待处理作业分成如下三个队列： 队列1：长作业 队列2：中等长度作业 队列3：短作业

调度时 取队列1一作业，队列2一作业，队列3一作业 长作业用户和短作业用户均比较满意

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（5）作业调度算法性能的衡量

作业平均周转时间
假定某一作业进入“输入井”的时间为Si， 它被选中执行，得到计算结果的时间为Ei 它的周转时间为Ti ＝Ei–Si 则作业平均周转时间为：

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FCFS例
√ √
作业运行顺序：JOB1→ JOB2→ JOB3→ JOB4
2013-12-业运行顺序：JOB1→ JOB3→ JOB4→ JOB2
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HPF例
√ √
作业运行顺序：JOB1→ JOB3→ JOB2→ JOB4
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作业调度目标：
(1)对所有作业应该是公平合理的； (2)应使设备有高的利用率; (3)每天执行尽可能多的作业； (4)有快的响应时间。
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（4）作业调度算法
实际的算法可能会是多种算法的综合。

先来先服务（FCFS）：按照作业进入系统的先后次序进 行调度，先进入系统者先调度；即启动等待时间最长的 作业。


进程运行完成。系统收回它占用的处理机，该进程进入完成状 态。 时间片用完。系统收回它占用的处理机，并把该进程排在就绪 队列的末尾，等待下一次调度。 等待事件阻塞。系统收回它占用的处理机，并把该进程排在阻 塞队列等待，直到相应的事件发生，该进程才被唤醒而变成就 绪状态，并进入就绪队列的末尾。
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（4）CPU调度过程



保存下降进程的现场 系统栈PCB 选择上升进程 按处理机调度算法选择一进程 恢复上升进程的现场 PCB 寄存器
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（5）进程调度算法



先来先服务 时间片轮转算法 多级队列算法 多级反馈队列算法 优先级算法 短作业优先
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处理机的调度队列模型（续1）
(2)具有两级调度的处理机调度队列模型
如下图所示：
时间片用完 作业调度 后备作业队列 就绪队列 进程调度 完成 CPU
事件出现1
阻塞队列1
等待事件1
阻塞队列2 事件出现2 … 阻塞队列n 等待事件2 … 等待事件n
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事件出现n
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处理机的调度队列模型（续2）
（3）进程调度的时机
(1)正在执行的进程执行完毕。 (2)执行中进程自己调用阻塞原语将白己阻塞起来 进入睡眠等状态。 (3)执行中进程调用了P原语操作，从而因资源不 足而被阻塞；或调用了v原语操作激活了等待资 源的进程队列。 (4)执行中进程提出I/O请求后被阻塞。 (5)在分时系统中时间片已经用完。 (6)就绪队列中的某进程的优先级变得高于当前执 行进程的优先级。
n为被测定作业流中的作业数
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作业调度算法性能的衡量

作业平均带权周转时间
ri为某作业i的实际执行时间 注意： T：衡量不同调度算法对同一个作业流的性能 W：同一调度算法对不同作业流的性能衡量
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（6）作业调度算法应用举例
假设在单道批处理环境下有四个作业，已知它 们进入系统的时间、估计运行时间 应用先来先服务、最短作业优先和最高响应比 优先作业调度算法，分别计算出作业的平均周 转时间和带权的平均周转时间
(3)具有三级调度的处理机调度队列模型
如下图所示：
高级调度
后备作业队列 时间片用完 就绪队列
低级调度
处理器
完成
中级调度
交互式用户
静止就绪队列
静止阻塞队列
中级调度
阻塞队列
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等待事件
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事件出现
3. 选择调度算法的原则

(1)资源利用率
使得CPU或其它资源的使用率尽可能高且能够并行工作， CPU利用率的计算公式有：
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作业调度算法
例1：将待处理作业分成如下队列： 队列1：计算量大的作业 队列2：I/O量大的作业 队列3：计算量与I/O量均衡的作业

调度时，在三个队列中各取一些作业 在内存中的作业有的使用处理机 有的使用外部设备 使得系统的各种资源能得到充分利用

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作业调度算法
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作业调度算法

高响应比优先（HRF）：响应比最高的作业优先启动。 响应比=（等待时间+估计运行时间）/ 估计运行时间 该算法是FCFS和SJF的结合，克服了两种算法的缺点 优点: 公平，吞吐率大



如果作业的等待时间相同,则要求服务的时间越短,其优先权 越高---有利于短作业 当要求服务的时间相同时,作业的优先权决定于其等待时间, 等待时间越长,其优先权越高---实现先来先服务 对于长作业,作业的优先级可以随等待时间的增加而提高,当 其等待时间足够长时,其优先级可升的很高,从而获得处理机 ---长作业不会饿死


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就绪 运行 阻塞 新建 挂起阻塞 终止
低级调度
挂起就绪
中级调度
高级调度
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1.处理机调度的层次(续1)



高级调度 高级调度主要功能是根据一定的算法，决定把外存上处 于后备队列中的作业调入内存，并为它们创建进程和分 配必要的资源，然后，再将新创建的进程插入到进程就 绪队列中，准备执行。在作业完成后负责回收该作业所 使用的资源。 中级调度 中级调度主要功能是在内存使用紧张时，将一些暂时不 运行的进程从内存调出到外存上等待，当以后内存有足 够的空闲空间时，再将适合的进程重新调入内存，等待 进程调度。 低级调度 低级调度主要功能是按照一定的算法决定就绪队列中的 哪个进程将获得处理机，然后由分派程序执行把处理机 分配给该进程的操作。
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（2）进程调度方式
两种占用CPU的方式： 可剥夺方式（可抢占式Preemptive）： 获得处理机的进程运行，直至

终止 等待 出现高优先级的进程
不可剥夺方式（不可抢占式Non-preemptive ）： 获得处理机的进程运行，直至

终止 等待
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例：可按如下公式计算作业的优先数： 优先数= 用户规定优先数–作业处理时间 + 作业等待时间–输出量
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作业调度算法

均衡调度算法(分类排队算法)
根据系统运行情况和作业属性将作业分类 轮流从不同的作业类中挑选作业
基本思想：

目标：

力求均衡地利用各种系统资源，发挥资源使用效率 力求使用户满意
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2.处理机的调度队列模型
(1)仅有进程调度的处理机调度队列模型
如下图所示：