0 进程调度算法的性能指标
- 周转时间 = 完成时刻 - 到达时刻
- 带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间
- 等待时间 = 运行时刻 - 到达时刻
- 等待时间（计算型进程） = 周转时间 – 运行时间
- 等待时间（I/O 型进程） = 周转时间 - 运行时间 - I/O 操作时间
- 响应比 = (等待时间 + 要求服务时间) / 要求服务时间
【注】调度与切换的区别：
- 调度：决定资源分配给哪个进程的行为，是一种决策行为
- 切换：实际分配的行为，是执行行为（上下文切换）
1 【非抢占式】先来先服务（FCFS）调度算法
- 规则：考虑的是哪个进程先到达就绪队列，按照进程到达的先后顺序进行服务
- 优点：公平、算法实现简单
- 缺点：对长作业有利，对短作业不利
- 饥饿：不会导致饥饿
- 案例：
| 进程 |
到达时间 |
运行时间 |
| P1 |
0 |
7 |
| P2 |
2 |
4 |
| P3 |
4 |
1 |
| P4 |
5 |
4 |
gantt
title 先来先服务（FCFS）调度算法
dateFormat X
axisFormat %s
section 进程P4
P4: 12, 16
section 进程P3
P3: 11, 12
section 进程P2
P2: 7, 11
section 进程P1
P1: 0, 7
| 关键时刻 |
就绪队列 |
备注 |
| 0 |
P1 |
P1 就绪 |
| 0 |
空 |
P1 运行 |
| 2 |
P2 |
P2 就绪 |
| 4 |
P3 --> P2 |
P3 就绪 |
| 5 |
P4 --> P3 --> P2 |
P3 就绪 |
| 7 |
P4 --> P3 |
P2 运行 |
| 11 |
P4 |
P3 运行 |
| 12 |
空 |
P4 运行 |
| 性能指标 |
进程P1 |
进程P2 |
进程P3 |
进程P4 |
| 周转时间 = 完成时刻 - 到达时刻 |
7-0=7 |
11-2=9 |
12-4=8 |
16-5=11 |
| 带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间 |
7/7=1 |
9/4=2.25 |
8/1=8 |
11/4=2.75 |
| 等待时间 = 周转时间 – 运行时间 |
7-7=0 |
9-4=5 |
8-1=7 |
11-4=7 |
- 平均周转时间 = (7+9+8+11)/4 = 8.75
- 平均带权周转时间 = (1+2.25+8+2.75)/4 = 3.5
- 平均等待时间 = (0+5+7+7)/4 = 4.75
2 【非抢占式+抢占式】短进程优先（SPF）调度算法
2.1 【非抢占式】短进程优先（SPF）调度算法
- 规则：每次调度时选择当前已到达且运行时间最短的进程
- 优点：“最短的”平均等待时间、平均周转时间
- 缺点：对短作业有利，对长作业不利；另外，作业/进程的运行时间是由用户提供的，并不一定真实，不一定能做到真正的短作业优先
- 饥饿：会导致饥饿，如果源源不断地有短进程到来，可能使长进程长时间得不到服务，产生“饥饿”现象
- 案例：
| 进程 |
到达时间 |
运行时间 |
| P1 |
0 |
7 |
| P2 |
2 |
4 |
| P3 |
4 |
1 |
| P4 |
5 |
4 |
gantt
title 短进程优先（SPF）调度算法
dateFormat X
axisFormat %s
section 进程P4
P4: 12, 16
section 进程P3
P3: 7, 8
section 进程P2
P2: 8, 12
section 进程P1
P1: 0, 7
| 关键时刻 |
就绪队列（括号内为运行时间，按运行时间排序） |
备注 |
| 0 |
P1 |
P1 就绪 |
| 0 |
空 |
P1 运行 |
| 2 |
P2(4) |
P2 就绪 |
| 4 |
P2(4) --> P3(1) |
P3 就绪 |
| 5 |
P4(4) --> P2(4) --> P3(1) |
P4 就绪 |
| 7 |
P4(4) --> P2(4) |
P3 运行 |
| 8 |
P4(4) |
P2 运行 |
| 12 |
空 |
P4 运行 |
| 性能指标 |
进程P1 |
进程P2 |
进程P3 |
进程P4 |
| 周转时间 = 完成时刻 - 到达时刻 |
7-0=7 |
12-2=10 |
8-4=4 |
16-5=11 |
| 带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间 |
7/7=1 |
10/4=2.5 |
4/1=4 |
11/4=2.75 |
| 等待时间 = 周转时间 – 运行时间 |
7-7=0 |
10-4=6 |
4-1=3 |
11-4=7 |
- 平均周转时间 = (7+4+10+11)/4 = 8
- 平均带权周转时间 = (1+4+2.5+2.75)/4 = 2.56
- 平均等待时间 = (0+3+6+7)/4 = 4
2.2 【抢占式】最短剩余时间（SRTN）优先算法
- 即：【抢占式】短进程优先（SPF）调度算法
- 规则：
- 当有进程加入就绪队列时：需要调度，如果新到达的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短，则由新进程抢占处理机，当前运行进程重新回到就绪队列
- 当一个进程完成时：需要调度，在就绪队列中选择剩余时间最短的进程运行
- 优点：“最短的”平均等待时间、平均周转时间
- 缺点：对短作业有利，对长作业不利；另外，作业/进程的运行时间是由用户提供的，并不一定真实，不一定能做到真正的短作业优先
- 饥饿：会导致饥饿，如果源源不断地有短进程到来，可能使长进程长时间得不到服务，产生“饥饿”现象
- 案例：
| 进程 |
到达时间 |
运行时间 |
| P1 |
0 |
7 |
| P2 |
2 |
4 |
| P3 |
4 |
1 |
| P4 |
5 |
4 |
gantt
title 最短剩余时间（SRTN）优先算法
dateFormat X
axisFormat %s
section 进程P4
P4: 7, 11
section 进程P3
P3: 4, 5
section 进程P2
P2: 5, 7
P2: 2, 4
section 进程P1
P1: 11, 16
P1: 0, 2
| 关键时刻 |
就绪队列（括号内为剩余运行时间，按剩余时间排序） |
备注 |
| 0 |
P1(7) |
P1 就绪 |
| 0 |
空 |
P1 运行 |
| 2 |
P1(5) --> P2(4) |
P2 和 P1 就绪 |
| 2 |
P1(5) |
P2 运行 |
| 4 |
P1(5) --> P2(2) --> P3(1) |
P3 和 P2 就绪 |
| 4 |
P1(5) --> P2(2) |
P3 运行 |
| 5 |
P1(5) --> P4(4) --> P2(2) |
P4 就绪 |
| 5 |
P1(5) --> P4(4) |
P2 运行 |
| 7 |
P1(5) |
P4 运行 |
| 11 |
空 |
P1 运行 |
| 性能指标 |
进程P1 |
进程P2 |
进程P3 |
进程P4 |
| 周转时间 = 完成时刻 - 到达时刻 |
16-0=16 |
7-2=5 |
5-4=1 |
11-5=6 |
| 带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间 |
16/7=2.28 |
5/4=1.25 |
1/1=1 |
6/4=1.5 |
| 等待时间 = 周转时间 – 运行时间 |
16-7=9 |
5-4=1 |
1-1=0 |
6-4=2 |
- 平均周转时间 = (16+5+1+6)/4 = 7
- 平均带权周转时间 = (2.28+1.25+1+1.5)/4 = 1.50
- 平均等待时间 = (9+1+0+2)/4 = 3
3 【非抢占式】高响应比优先（HRRN）调度算法
- 响应比 = (等待时间 + 要求服务时间) / 要求服务时间
- 规则：调度时计算所有就绪进程的响应比，选响应比最高的进程上处理机
- 优点：综合考虑了等待时间和运行时间
- 等待时间相同时，要求服务时间短的优先（SJF 的优点）
- 运行时间相同时，等待时间长的优先（FCFS 的优点）
- 对于长作业来说，随着等待时间越来越久，其响应比也会越来越大，从而避免了长作业饥饿的问题
- 饥饿：不会导致饥饿
- 案例：
| 进程 |
到达时间 |
运行时间 |
| P1 |
0 |
7 |
| P2 |
2 |
4 |
| P3 |
4 |
1 |
| P4 |
5 |
4 |
gantt
title 高响应比优先（HRRN）调度算法
dateFormat X
axisFormat %s
section 进程P4
P4: 12, 16
section 进程P3
P3: 7, 8
section 进程P2
P2: 8, 12
section 进程P1
P1: 0, 7
| 关键时刻 |
就绪队列（括号内为响应比，按响应比大小排序） |
备注 |
| 0 |
P1 |
P1 就绪 |
| 0 |
空 |
P1 运行 |
| 7 |
P4【响应比(2+4)/4=1.5】--> P2【响应比=(5+4)/4=2.25】--> P3【响应比(3+1)/1=4】 |
P2、P3 和 P4 均已就绪 |
| 7 |
P4【响应比(2+4)/4=1.5】--> P2【响应比=(5+4)/4=2.25 |
P3 运行 |
| 8 |
P4【响应比(3+4)/4=1.75】--> P2【响应比=(6+4)/4=2.5 |
P2 和 P4 均已就绪 |
| 8 |
P4【响应比(3+4)/4=1.75】 |
P2 运行 |
| 12 |
P4【响应比(7+4)/4=2.75】 |
P4 已就绪 |
| 12 |
空 |
P4 运行 |
4 【抢占式】时间片轮转（RR）调度算法
- 规则：
- 按照各进程到达就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个时间片（由时钟装置发出时钟中断来通知 CPU 时间片已到）
- 若进程未在一个时间片内执行完，则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队
- 进程运行完会主动放弃处理机，此时也需要按上述两条规则进行调度
- 优点：公平，响应快，适用于分时操作系统
- 缺点：由于高频率的进程切换，因此有一定开销；不区分任务的紧急程度
- 饥饿：不会导致饥饿
- 时间片太大或太小的影响：
- 时间片太大：退化为先来先服务（FCFS）算法
- 时间片太小：进程切换过于频繁，系统会花大量的时间来处理进程切换，从而导致实际用于进程执行的时间比例减少
- 注意：常用于分时操作系统，更注重“响应时间”，因而此处不计算周转时间
案例一：时间片为 2
| 进程 |
到达时间 |
运行时间 |
| P1 |
0 |
5 |
| P2 |
2 |
4 |
| P3 |
4 |
1 |
| P4 |
5 |
6 |
gantt
title 时间片轮转（RR）调度算法（时间片=2）
dateFormat X
axisFormat %s
section 进程P4
P4: 14, 16
P4: 12, 14
P4: 9, 11
section 进程P3
P3: 6, 7
section 进程P2
P2: 7, 9
P2: 2, 4
section 进程P1
P1: 11, 12
P1: 4, 6
P1: 0, 2
调度时只做两件事：（1）时间片未用完的进程放到队尾排队；（2）取队头进程上处理机
| 关键时刻 |
就绪队列（括号内为剩余运行时间） |
备注 |
| 0 |
P1(5) |
P1 就绪 |
| 0 |
空 |
P1 运行（取队头进程上处理机） |
| 2 |
P1(3) --> P2(4) |
P2 和 P1 就绪（时间片未用完的进程放到队尾排队） |
| 2 |
P1(3) |
P2 运行，P1 就绪（取队头进程上处理机） |
| 4 |
P2(2) --> P3(1) --> P1(3) |
P3 和 P2 就绪（时间片未用完的进程放到队尾排队） |
| 4 |
P2(2) --> P3(1) |
P1 运行（取队头进程上处理机） |
| 5 |
P4(6) --> P2(2) --> P3(1) |
P4 就绪（由于 P1 的时间片未用完，因此不调度） |
| 6 |
P1(1) --> P4(6) --> P2(2) --> P3(1) |
P1 就绪（时间片未用完的进程放到队尾排队） |
| 6 |
P1(1) --> P4(6) --> P2(2) |
P3 运行（取队头进程上处理机） |
| 7 |
P1(1) --> P4(6) |
P2 运行（取队头进程上处理机） |
| 9 |
P1(1) |
P4 运行（取队头进程上处理机） |
| 11 |
P4(4) --> P1(1) |
P4 就绪（时间片未用完的进程放到队尾排队） |
| 11 |
P4(4) |
P1 运行（取队头进程上处理机） |
| 12 |
P4(4) |
P4 运行（取队头进程上处理机） |
| 14 |
P4(2) |
P4 就绪（时间片未用完的进程放到队尾排队） |
| 14 |
空 |
P4 执行（取队头进程上处理机） |
案例二：时间片为 5（时间片过大）
| 进程 |
到达时间 |
运行时间 |
| P1 |
0 |
5 |
| P2 |
2 |
4 |
| P3 |
4 |
1 |
| P4 |
5 |
6 |
gantt
title 时间片轮转（RR）调度算法（时间片=5）
dateFormat X
axisFormat %s
section 进程P4
P4: 12, 16
section 进程P3
P3: 11, 12
section 进程P2
P2: 7, 11
section 进程P1
P1: 0, 7
| 关键时刻 |
就绪队列（括号内为剩余运行时间） |
备注 |
| 0 |
P1(5) |
P1 就绪 |
| 0 |
空 |
P1 运行（取队头进程上处理机） |
| 2 |
P2(4) |
P2 就绪 |
| 4 |
P3(4) --> P2(4) |
P3 就绪 |
| 5 |
P4(6) --> P3(4) --> P2(4) |
P4 就绪 |
| 5 |
P4(6) --> P3(4) |
P2 运行（取队头进程上处理机） |
| 9 |
P4(6) |
P3 运行（取队头进程上处理机） |
| 10 |
空 |
P4 运行（取队头进程上处理机） |
| 15 |
P4(1) |
P4 就绪（时间片未用完的进程放到队尾排队） |
| 15 |
空 |
P4 运行（取队头进程上处理机） |
5 【非抢占式+抢占式】优先级调度算法
5.1 【非抢占式】优先级调度算法
- 规则：
- 每次调度时选择当前已到达且优先级最高的进程
- 当前进程主动放弃处理机时发生调度
- 优点：用优先级区分紧急程度、重要程度，适用于实时操作系统。可灵活地调整对各种进程的偏好程度
- 缺点：若源源不断地有高优先级进程到来，则可能导致饥饿
- 饥饿：会导致饥饿
- 案例：（优先数越大，优先级越高）
| 进程 |
到达时间 |
运行时间 |
优先级 |
| P1 |
0 |
7 |
1 |
| P2 |
2 |
4 |
2 |
| P3 |
4 |
1 |
3 |
| P4 |
5 |
4 |
2 |
gantt
title 非抢占式优先级调度算法
dateFormat X
axisFormat %s
section 进程P4
P4: 12, 16
section 进程P3
P3: 7, 8
section 进程P2
P2: 8, 12
section 进程P1
P1: 0, 7
| 关键时刻 |
就绪队列（括号内为优先级，按优先级排序） |
备注 |
| 0 |
P1(1) |
P1 就绪 |
| 0 |
空 |
P1 运行 |
| 2 |
P2(2) |
P2 就绪 |
| 4 |
P2(2) --> P3(3) |
P3 就绪 |
| 5 |
P4(2) --> P2(2) --> P3(3) |
P4 就绪（优先级相同则默认排到后面） |
| 7 |
P4(2) --> P2(2) |
P3 运行 |
| 8 |
P4(2) |
P2 运行 |
| 12 |
P4(2) |
P4 运行 |
5.2 【抢占式】优先级调度算法
- 规则：
- 每次调度时选择当前已到达且优先级最高的进程
- 当前进程主动放弃处理机时发生调度
- 当就绪队列发生改变时也需要检查是会发生抢占
- 优点：用优先级区分紧急程度、重要程度，适用于实时操作系统。可灵活地调整对各种进程的偏好程度
- 缺点：若源源不断地有高优先级进程到来，则可能导致饥饿
- 饥饿：会导致饥饿
- 案例：（优先数越大，优先级越高）
| 进程 |
到达时间 |
运行时间 |
优先级 |
| P1 |
0 |
7 |
1 |
| P2 |
2 |
4 |
2 |
| P3 |
4 |
1 |
3 |
| P4 |
5 |
4 |
2 |
gantt
title 抢占式优先级调度算法
dateFormat X
axisFormat %s
section 进程P4
P4: 7, 11
section 进程P3
P3: 4, 5
section 进程P2
P2: 5, 7
P2: 2, 4
section 进程P1
P1: 11, 16
P1: 0, 2
| 关键时刻 |
就绪队列（括号内为优先级，按优先级排序） |
备注 |
| 0 |
P1(1) |
P1 就绪 |
| 0 |
空 |
P1 运行 |
| 2 |
P1(1) --> P2(2) |
P2 和 P1 就绪 |
| 2 |
P1(1) |
P2 运行 |
| 4 |
P1(1) --> P2(2) --> P3(3) |
P3 和 P2 就绪 |
| 4 |
P1(1) --> P2(2) |
P3 运行 |
| 5 |
P1(1) --> P4(2) --> P2(2) |
P4 就绪 |
| 5 |
P1(1) --> P4(2) |
P2 运行 |
| 7 |
P1(1) |
P4 运行 |
| 11 |
空 |
P1 运行 |
5.3 优先级的设置
根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级：
- 静态优先级：创建进程时确定，之后一直不变
- 动态优先级：创建进程时有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级
- 如果某进程在就绪队列中等待了很长时间，则可以适当提升其优先
- 如果某进程占用处理机运行了很长时间，则可适当降低其优先级
- 如果发现一个进程频繁地进行 I/O 操作，则可适当提升其优先级
优先级的设置一般遵守：
- 系统进程优先级 > 用户进程
- 前台进程优先级 > 后台进程
- I/O 型进程（频繁使用 I/O 设备的进程） > 计算型进程（频繁使用 CPU 的进程）
【注】I/O 设备和 CPU 可以并行工作。如果优先让 I/O 繁忙型进程优先运行的话，则越有可能让 I/O 设备尽早地投入工作，则资源利用率、系统吞吐量都会得到提升。
【例】（2016 统考真题）某进程调度程序采用基于优先数（priority）的调度策略，即选择优先数最小的进程运行，进程创建时由用户指定一个 nice 作为静态优先数。为了动态调整优先数，引入运行时间 cpuTime 和等待时间 waitTime，初值均为 0。进程处于执行态时，cpuTime 定时加 1，且 waitTime 置 0；进程处于就绪态时，cpuTime 置 0，waitTime 定时加 1。请回答下列问题。
（1）若调度程序只将 nice 的值作为进程的优先数，即 priority = nice，则可能会出现饥饿现象，为什么?
（2）使用 nice、cpuTime 和 waitTime 设计一种动态优先数计算方法，以避免产生饥饿现象，并说明 waitTime 的作用。
【解】（1）由于采用了静态优先数，当就绪队列中总有优先数较小的进程时，优先数较大的进程一直没有机会运行，因而会出现饥饿现象。
（2）优先数的计算公式为：priority = nice + k1 * cpuTime - k2 * waitTime，其中k1 > 0，k2 > 0。waitTime 可使长时间等待的进程的优先数减少。
6 【抢占式】多级反馈队列调度算法
- 规则：
- 设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大
- 新进程到达时先进入第 1 级队列，按 FCFS 原则排队等待被分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾（如果此时已经是在最下级的队列，则重新放回该队列队尾）
- 只有第 k 级队列为空时，才会为 k+1 级队头的进程分配时间片
- 被抢占处理机的进程重新放回原队列队尾
- 优点：
- 对各类型进程相对公平（FCFS 的优点）
- 每个新到达的进程都可以很快就得到响应（RR 的优点）
- 短进程只用较少的时间就可完成（SPF 的优点）
- 不必实现估计进程的运行时间（避免用户作假）
- 可灵活地调整对各类进程的偏好程度，比如 CPU 密集型进程、I/O 密集型进程（可以将因 I/O 阻塞的进程重新放回原队列，这样 I/O 型进程就可以保持较高优先级）
- 饥饿：会导致饥饿
- 案例：
| 进程 |
到达时间 |
运行时间 |
| P1 |
0 |
8 |
| P2 |
1 |
4 |
| P3 |
5 |
1 |
- 0 时刻（括号内为进程剩余时间，下同）：P1 到达，插入第 1 级队列末尾；P1 开始运行
| 队列 |
优先级 |
时间片 |
就绪队列 |
| 第 1 级队列 |
最高 |
1 |
P1(8) |
| 第 2 级队列 |
次高 |
2 |
|
| 第 3 级队列 |
最低 |
4 |
|
- 1 时刻：P1 运行完一个时间片未结束，插入第 2 级队列末尾；P2 到达，插入第 1 级队列末尾；P2 开始运行
| 队列 |
优先级 |
时间片 |
就绪队列 |
| 第 1 级队列 |
最高 |
1 |
P2(4) |
| 第 2 级队列 |
次高 |
2 |
P1(7) |
| 第 3 级队列 |
最低 |
4 |
|
- 2 时刻：P2 运行完一个时间片未结束，插入第 2 级队列末尾；P1 开始运行
| 队列 |
优先级 |
时间片 |
就绪队列 |
| 第 1 级队列 |
最高 |
1 |
|
| 第 2 级队列 |
次高 |
2 |
P2(3) --> P1(7) |
| 第 3 级队列 |
最低 |
4 |
|
- 4 时刻：P1 运行完一个时间片未结束，插入第 3 级队列末尾；P2 开始运行
| 队列 |
优先级 |
时间片 |
就绪队列 |
| 第 1 级队列 |
最高 |
1 |
|
| 第 2 级队列 |
次高 |
2 |
P2(3) |
| 第 3 级队列 |
最低 |
4 |
P1(5) |
- 5 时刻：P3 到达，插入第 1 级队列末尾；P2 被抢占，放回第 2 级队列末尾；P3 运行
| 队列 |
优先级 |
时间片 |
就绪队列 |
| 第 1 级队列 |
最高 |
1 |
P3(1) |
| 第 2 级队列 |
次高 |
2 |
P2(2) |
| 第 3 级队列 |
最低 |
4 |
P1(5) |
| 队列 |
优先级 |
时间片 |
就绪队列 |
| 第 1 级队列 |
最高 |
1 |
|
| 第 2 级队列 |
次高 |
2 |
P2(2) |
| 第 3 级队列 |
最低 |
4 |
P1(5) |
| 队列 |
优先级 |
时间片 |
就绪队列 |
| 第 1 级队列 |
最高 |
1 |
|
| 第 2 级队列 |
次高 |
2 |
|
| 第 3 级队列 |
最低 |
4 |
P1(5) |
- 12 时刻：P1 运行完一个时间片未结束，插入第 3 级队列末尾；P1 开始运行
| 队列 |
优先级 |
时间片 |
就绪队列 |
| 第 1 级队列 |
最高 |
1 |
|
| 第 2 级队列 |
次高 |
2 |
|
| 第 3 级队列 |
最低 |
4 |
P1(1) |
| 队列 |
优先级 |
时间片 |
就绪队列 |
| 第 1 级队列 |
最高 |
1 |
|
| 第 2 级队列 |
次高 |
2 |
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| 第 3 级队列 |
最低 |
4 |
|
