目錄

• 1 CPU調(diào)度基本概念
• • 1.1 基本概念
  • 1.2 CPU調(diào)度的時(shí)機(jī)
  • 1.3 CPU調(diào)度方案
• 2 CPU調(diào)度算法
• • 2.1 先來先服務(wù)(FCFS)
  • 2.2 短作業(yè)優(yōu)先(SJF)
  • 2.3 優(yōu)先級
  • 2.4 RR時(shí)間片輪轉(zhuǎn)
  • 2.5 多級隊(duì)列和多級反饋隊(duì)列

1 CPU調(diào)度基本概念

1.1 基本概念

CPU調(diào)度就是就從就緒隊(duì)列中選擇一個(gè)進(jìn)程來分配CPU的過程，進(jìn)行CPU調(diào)度的原因是為了實(shí)現(xiàn)多道，使得CPU有更高的利用率，之所以進(jìn)程能夠進(jìn)行CPU調(diào)度是因?yàn)檫M(jìn)程的特點(diǎn)，進(jìn)程執(zhí)行過程中分為兩個(gè)脈沖一個(gè)是CPU脈沖 (CPU Burst)，一個(gè)是 I/O 脈沖 (I/O Burst)，即在 CPU 上執(zhí)行和等待 I/O ，進(jìn)程的執(zhí)行以 CPU 脈沖開始，其后跟著 I/O 脈沖，進(jìn)程的執(zhí)行就是在這兩個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如下圖所示：

觀察CPU脈沖的統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，CPU 脈沖的分布，在系統(tǒng)中存在許多短 CPU 脈沖，只有少量的長 CPU 脈沖，比如 I/O 型作業(yè)具有許多短 CPU 脈沖，而 CPU 型作業(yè)則會有幾個(gè)長 CPU 脈沖，這個(gè)分布規(guī)律對CPU 調(diào)度算法的選擇是非常重要的，下圖是對CPU脈沖的統(tǒng)計(jì)直方圖，橫軸是時(shí)間，豎軸是頻率，可以發(fā)現(xiàn)頻率在0~8ms的高頻脈沖是比較多的：

1.2 CPU調(diào)度的時(shí)機(jī)

當(dāng)CPU空閑時(shí)，OS就選擇內(nèi)存中的某個(gè)就緒進(jìn)程，并給其分配CPU，以下是進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，當(dāng)某個(gè)進(jìn)程從running狀態(tài)離開時(shí)，就代表當(dāng)前CPU就空閑了，圖中紅色和藍(lán)色的箭頭都代表著會發(fā)生CPU調(diào)度：

CPU的調(diào)度可能發(fā)生在以下情況：

• 從運(yùn)行轉(zhuǎn)到等待 (Switches from running to waiting state)：非搶占式調(diào)度；
• 從運(yùn)行轉(zhuǎn)到就緒 (Switches from running to ready state)：搶占式調(diào)度，時(shí)間片到；
• 從等待轉(zhuǎn)到就緒 (Switches from waiting to ready)：搶占式調(diào)度，若某個(gè)在就緒隊(duì)列的進(jìn)程優(yōu)先級較高，則會搶占CPU，所以是搶占式調(diào)度；
• 終止運(yùn)行 (Terminates)：非搶占式調(diào)度。

1.3 CPU調(diào)度方案

CPU調(diào)度方案分為以下兩種：

• 非搶占方式 (nonpreemptive)：把處理機(jī)分配給某進(jìn)程后，便讓其一直執(zhí)行，直到該進(jìn)程完成或發(fā)生某事件而被阻塞時(shí)，才把處理機(jī)分配給其它進(jìn)程，不允許其他進(jìn)程搶占已經(jīng)分配出去的處理機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單、系統(tǒng)開銷小，適用于大多數(shù)批處理系統(tǒng)環(huán)境，缺點(diǎn)是難以滿足緊急任務(wù)的要求，不適用于實(shí)時(shí)、分時(shí)系統(tǒng)要求
• 搶占方式（Preemptive mode）：允許調(diào)度程序根據(jù)某個(gè)原則，去停止某個(gè)正在執(zhí)行的進(jìn)程，將處理機(jī)重新分配給另一個(gè)進(jìn)程

對于搶占方式，搶占有如下的原則：

• 時(shí)間片原則：各進(jìn)程按時(shí)間片運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)時(shí)間片用完后，便停止該進(jìn)程的執(zhí)行而重新進(jìn)行調(diào)度。這個(gè)原則適用于分時(shí)系統(tǒng)；
• 優(yōu)先權(quán)原則：通常對一些重要的和緊急的進(jìn)程賦予較高的優(yōu)先權(quán)。當(dāng)這種進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列時(shí)，如果其優(yōu)先權(quán)比正在執(zhí)行的進(jìn)程優(yōu)先權(quán)高，便停止正在執(zhí)行的進(jìn)程，將處理機(jī)分配給優(yōu)先權(quán)高的進(jìn)程，使之執(zhí)行；
• 短作業(yè)優(yōu)先原則：當(dāng)新到達(dá)的作業(yè)比正在執(zhí)行的作業(yè)明顯短時(shí)，將暫停當(dāng)前長作業(yè)的執(zhí)行，將處理機(jī)分配給新到的短作業(yè)，使之執(zhí)行。

2 CPU調(diào)度算法

設(shè)計(jì)CPU調(diào)度算法的性能指標(biāo)有如下幾點(diǎn)：

• CPU利用率：使CPU盡可能的忙碌；
• 吞吐量：單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)行完的進(jìn)程數(shù)；
• 周轉(zhuǎn)時(shí)間：進(jìn)程從提交到運(yùn)行結(jié)束的全部時(shí)間 ；
• 等待時(shí)間：進(jìn)程在就緒隊(duì)列中等待調(diào)度的時(shí)間片總和；
• 響應(yīng)時(shí)間 ：從進(jìn)程提出請求到首次被響應(yīng)的時(shí)間段，在分時(shí)系統(tǒng)環(huán)境下不是輸出完結(jié)果的時(shí)間

注：調(diào)度算法影響的是等待時(shí)間 ， 而不能影響進(jìn)程真正使用CPU 的時(shí)間和 I/O 時(shí)間

2.1 先來先服務(wù)(FCFS)

先來先服務(wù) (First-Come-First-Served)，其算法思想和字面意思一樣，就是先到來的進(jìn)程，先被調(diào)度，這是最簡單的調(diào)度算法，FCFS屬于非搶占方式，一旦一個(gè)進(jìn)程占有處理機(jī)，它就一直運(yùn)行下去，直到該進(jìn)程完成或者因等待某事件而不能繼續(xù)運(yùn)行時(shí)才釋放處理機(jī)。FCFS 算法易于實(shí)現(xiàn)，表面上很公平 ，實(shí)際上有利于長作業(yè)，不利于短作業(yè)；有利于 CPU 繁忙型，不利于 I/O 繁忙型，可以看下面的例子。

假設(shè)有 $P_1$，$P_2$，$P_3$ 三個(gè)進(jìn)程，所需的CPU脈沖時(shí)間分別為24，3，3，如下表：

進(jìn)程CPU脈沖時(shí)間

$P_1$	24
$P_2$	3
$P_3$	3

現(xiàn)設(shè)三個(gè)進(jìn)程到來的順序是 $P_1$，$P_2$，$P_3$，那么該調(diào)度的Gantt圖如下：

各個(gè)進(jìn)程的等待時(shí)間如下表：

進(jìn)程等待時(shí)間

$P_1$	0
$P_2$	24
$P_3$	27

平均等待時(shí)間為 $t=\frac{0+24+27}{3}=17$。

現(xiàn)假設(shè)三個(gè)進(jìn)程到來的順序是 $P_2$，$P_3$，$P_1$，那么該調(diào)度的Gantt圖如下：

各進(jìn)程的等待時(shí)間如下表：

進(jìn)程等待時(shí)間

$P_1$	6
$P_2$	0
$P_3$	3

平均等待時(shí)間為 $t=\frac{6+0+3}{3}=3$。

由上面兩個(gè)例子可以看出，在先來先服務(wù)算法中，進(jìn)程到來的次序?qū)ζ骄却龝r(shí)間的影響是很大的，這里有個(gè)專業(yè)名詞叫做 護(hù)航效應(yīng) (Convoy effect)

護(hù)航效應(yīng) (Convoy effect)：

• 假設(shè)有一個(gè)CPU進(jìn)程和許多I/O型進(jìn)程
• 當(dāng)CPU進(jìn)程占用CPU運(yùn)行時(shí)， I/O型進(jìn)程可能完成了其I/O操作，回到就緒隊(duì)列等待CPU， I/O設(shè)備空閑
• CPU進(jìn)程釋放CPU后， I/O型進(jìn)程陸續(xù)使用CPU，并很快轉(zhuǎn)為I/O操作，CPU空閑

在這種情況下，CPU和 I/O 設(shè)備并沒有得到有效的利用。

2.2 短作業(yè)優(yōu)先(SJF)

短作業(yè)優(yōu)先 (Shortest-Job-First)，其算法思想是關(guān)聯(lián)到每個(gè)進(jìn)程下次運(yùn)行的 CPU 脈沖長度，調(diào)度最短的進(jìn)程，由于進(jìn)程是不斷調(diào)入到就緒隊(duì)列中的，其整個(gè)就緒隊(duì)列中的最短作業(yè)，也是動(dòng)態(tài)變化的，此時(shí)就要面臨一個(gè)問題了，若現(xiàn)在到來了一個(gè)所需CPU脈沖時(shí)間最短的一個(gè)進(jìn)程，那么是讓當(dāng)前執(zhí)行的進(jìn)程讓位，還是等當(dāng)前進(jìn)程執(zhí)行完再執(zhí)行，所以有如下兩種策略：

• 非搶占式調(diào)度：一旦進(jìn)程擁有 CPU ， 它的使用權(quán)限只能在該 CPU 脈沖結(jié)束后讓出；
• 搶占式調(diào)度 ：發(fā)生在有比當(dāng)前進(jìn)程剩余時(shí)間片更短的進(jìn)程到達(dá)時(shí)，也稱為最短剩余時(shí)間優(yōu)先調(diào)度

短作業(yè)優(yōu)先SJF算法是最優(yōu)的，因?yàn)閷σ唤M指定的進(jìn)程而言，它給出了最短的平均等待時(shí)間，如下面的例子：

現(xiàn)有四個(gè)進(jìn)程 $P_1$，$P_2$，$P_3$，$P_4$，他們的到達(dá)時(shí)間和所需CPU脈沖時(shí)間如下表：

進(jìn)程到達(dá)時(shí)間CPU脈沖時(shí)間

$P_1$	0	7
$P_2$	2	4
$P_3$	4	1
$P_4$	5	4

若采用搶占式的調(diào)度，其調(diào)度Gantt圖如下：

平均等待時(shí)間為 $t=\frac{9+1+0+2}{4}=3$。

若采用非搶占式的調(diào)度，其調(diào)度Gantt圖如下：

平均等待時(shí)間為 $t=\frac{0+6+3+7}{4}=4$。

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雖說短作業(yè)優(yōu)先算法是最優(yōu)的算法，但是實(shí)際上在實(shí)現(xiàn)起來確實(shí)很難的，因?yàn)橐粩嗟慕y(tǒng)計(jì)各個(gè)進(jìn)程所需的CPU脈沖時(shí)間，這顯然實(shí)現(xiàn)難度高，就算能實(shí)現(xiàn)，其開銷也會非常大，所以實(shí)際應(yīng)用中是估計(jì)進(jìn)程所需時(shí)間，可以通過先前的CPU脈沖長度及計(jì)算指數(shù)均值進(jìn)行估計(jì)。

綜上所述，采用SJF有利于系統(tǒng)減少平均周轉(zhuǎn)時(shí)間,提高系統(tǒng)吞吐量，一般情況下SJF調(diào)度算法比FCFS調(diào)度算法的效率要高一些, 但實(shí)現(xiàn)相對要困難些。如果作業(yè)的到來順序及運(yùn)行時(shí)間不合適，會出現(xiàn)饑餓現(xiàn)象，例如，系統(tǒng)中有一個(gè)運(yùn)行時(shí)間很長的作業(yè)JN，和幾個(gè)運(yùn)行時(shí)間小的作業(yè)，然后，不斷地有運(yùn)行時(shí)間小于JN的作業(yè)的到來，這樣，作業(yè)JN就因得不到調(diào)度而餓死。另外，作業(yè)運(yùn)行的估計(jì)時(shí)間也有問題。

2.3 優(yōu)先級

上面所講的短作業(yè)優(yōu)先算法實(shí)際上是優(yōu)先級算法的一個(gè)特例，短作業(yè)優(yōu)先算法將作業(yè)所需時(shí)間定為衡量優(yōu)先級的量，表示優(yōu)先級的量一般為一個(gè)整數(shù)，這里假定越小的數(shù)優(yōu)先級越高，下面 $P_1$，$P_2$，$P_3$，$P_4$，$P_5$ 五個(gè)進(jìn)程的調(diào)度狀況如下：

進(jìn)程CPU脈沖時(shí)間優(yōu)先級

$P_1$	10	3
$P_2$	1	1
$P_3$	2	4
$P_4$	1	5
$P_5$	5	2

根據(jù)優(yōu)先級，其調(diào)度順序?yàn)?$P_2$，$P_5$，$P_1$，$P_3$，$P_4$，平均等待時(shí)間為 8.2 。

那么進(jìn)程的優(yōu)先級如何確定呢？通常在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)確定，且在整個(gè)生命期中保持不變，這種叫靜態(tài)優(yōu)先級，靜態(tài)優(yōu)先級就會出現(xiàn)饑餓問題，即某個(gè)進(jìn)程若優(yōu)先級非常低，它幾乎永遠(yuǎn)得不到CPU調(diào)度。

一個(gè)很有意思的例子：當(dāng)MIT的IBM7094機(jī)器于1973年關(guān)掉時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)于1967年提交的一個(gè)低優(yōu)先權(quán)的進(jìn)程還沒有得到運(yùn)行。

解決方法是老化，根據(jù)進(jìn)程等待時(shí)間的延長提高其優(yōu)先數(shù)，也就是動(dòng)態(tài)優(yōu)先級，優(yōu)先級會根據(jù)等待時(shí)間不斷調(diào)整。考慮改變優(yōu)先級的因素通常有進(jìn)程的等待時(shí)間，已使用CPU的時(shí)間，資源使用情況等。

2.4 RR時(shí)間片輪轉(zhuǎn)

RR (Round Robin)，這個(gè)算法主要用在分時(shí)系統(tǒng)里，這個(gè)算法的思想是每個(gè)進(jìn)程將得到小單位的 CPU 時(shí)間 (時(shí)間片)，通常為 10-100 毫秒 。時(shí)間片用完后，該進(jìn)程將被搶占并插入就緒隊(duì)列末尾。

例如有四個(gè)進(jìn)程 $P_1$，$P_2$，$P_3$，$P_4$ 如下表，設(shè)時(shí)間片大小為 20：

進(jìn)程CPU脈沖時(shí)間

$P_1$	53
$P_2$	17
$P_3$	68
$P_4$	24

其調(diào)度Gantt圖如下：

一般來說，RR的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間比SJF長，但響應(yīng)時(shí)間要短一些。

對于時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法，確定時(shí)間片大小是非常重要的，若時(shí)間片過大，則每個(gè)進(jìn)程都能在單個(gè)時(shí)間片能完成，則時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等價(jià)于先來先服務(wù)算法，若時(shí)間片過小，則各個(gè)進(jìn)程要頻繁的切換，造成大量的資源開銷。

2.5 多級隊(duì)列和多級反饋隊(duì)列

多級隊(duì)列的意思是把進(jìn)程根據(jù)其某種屬性進(jìn)行分類，每一類的進(jìn)程都會組成一個(gè)就緒隊(duì)列，也就是說在操作系統(tǒng)中會有多個(gè)就緒隊(duì)列，每個(gè)進(jìn)程固定的處在自己所屬的隊(duì)列中，對于不同的隊(duì)列，也可以有自己專屬的調(diào)度算法，那么此時(shí)就要進(jìn)行隊(duì)列的調(diào)度，可以給每個(gè)隊(duì)列設(shè)置不同的優(yōu)先級，若是固定優(yōu)先級，則會產(chǎn)生饑餓問題。那么另一種解決方案就是基于時(shí)間片的算法，給定 時(shí)間片調(diào)度，即個(gè)隊(duì)列得到一定的 CPU 時(shí)間，進(jìn)程在給定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行，如下圖：

若某個(gè)進(jìn)程在一個(gè)優(yōu)先級較低的隊(duì)列中，那么它就會一直處于饑餓狀態(tài)，解決方案是多級反饋隊(duì)列調(diào)度，存在多個(gè)就緒隊(duì)列，具有不同的優(yōu)先級，各自按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法調(diào)度，它與多級隊(duì)列的不同是它允許進(jìn)程在隊(duì)列之間移動(dòng)，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行完一個(gè)完整的時(shí)間片后被搶占處理器，被搶占的進(jìn)程優(yōu)先級降低一級而進(jìn)入下級就緒隊(duì)列，如此繼續(xù)，直至降到進(jìn)程的基本優(yōu)先級。而一個(gè)進(jìn)程從阻塞態(tài)變?yōu)榫途w態(tài)時(shí)要提高優(yōu)先級，最后會將I/O型和交互式進(jìn)程留在較高優(yōu)先級隊(duì)列，如下圖：

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统原理第五章：CPU调度的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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