操作系统（五）—— 调度

概述

　　上节讲了操作系统内存管理，讲到由于内存空间有限，无法把全部的进程所需的资源都放入内存，所以提出了很多的页面置换算法，这一节面临一个新的问题，就是内存中那么多的进程，到底应该选择哪一个进程执行，这是一个很重要的问题。为了达到不同的目的，就会有不同的策略，比如在交互式系统中，我们肯定希望计算机的响应越快越好，而在大型的批处理系统中，对响应时间没有太多的要求，但是CPU利用率和系统吞吐量要求很高，下面就详细介绍一下针对不同的目的，各种不同的调度策略。

常见场景

• 交互式：需要和用户频繁交互的系统
• 实时：对时间要求比较严格的系统，比如要求某任务在规定的时间必须完成
• 批处理：往往提交大量的任务给计算机

调度算法的目标

• CPU利用率：利用率 = 总时间 / cpu工作时间
  
• 吞吐量：吞吐量 = 总共完成了多少道作业​ / 总时间
  
• 响应时间：用户提交请求到首次响应的时间
• 周转时间：用户提交作业到作业完成时间
• 等待时间：周转时间 - 运行时间

每种场景对目标的要求

　　　　

 

 常见调度算法

批处理系统常用调度算法

先来先服务：这是一个非抢占式算法，哪个进程先进来，CPU就先把这个进程处理完，之后再运行下一个进程。这个算法优点就是简单，容易理解，缺点也很明显，如果某个线程90%的时间都在进行I/O操作，相当于90%时间CPU都在空闲，这样就太浪费了。

最短作业优先：这个算法适合进程运行时间可预知的系统，是非抢占式算法，这个算法的困难就在于预知每个进程的运行时间。

最短剩余时间优先：这个是上面最短作业时间的抢占式版本。但是这个算法依然需要知道每个进程的剩余运行时间。

 

交互式系统常用调度算法

轮转算法：这个就是使用最广，最公平，最古老的调度算法，为每个进程分配一个时间片，如果程序在给定的时间片中没有执行完，就切换到另一个进程执行。这个算法有一个有趣的地方就是时间片的大小设置，如果时间片设置的太小，会导致频繁的上下文切换，把很多时间浪费在上下文切换上，如果时间片设置过大，如果有很多的请求进来，会导致有些请求要等待非常久，就是常说的饥饿（饥饿就是有些进程长时间得不到时间片而无法运行的情况）。

 优先级调度：为每个进程分配一个优先级，把不同优先级的进程放入不同的队列，然后先执行高优先级的进程。但是这样做会有一个问题，就是低优先级的进程可能长时间得不到执行，而导致饥饿。一种改进的策略是，每次执行一次高优先级的进程，就把该进程的优先级递减，直到他的优先级比次高优先级低，这样最低优先级的就有机会执行了。

多级队列调度：这个其实是对优先级队列的一种优化，把I/O密集型的任务设置成高优先级，把CPU密集型的任务设置成低优先级，因为I/O密集型的在进行I/O操作的时候，进程会进入阻塞状态，别的进程就可以进来了，如果接下来进来的是CPU密集型，这样就可以保证CPU和磁盘I/O都处于一种相对饱和的状态，而不至于某一个“很忙”，而另一个“很闲”。

公平共享调度：上面的所有的调度算法都是站在进程的角度调度，考虑下面一种情况，在一个大型计算机上，有多个用户访问，某个用户启动了100个进程，而另一个用户启动了1个进程，如果按照上面的策略，启动100个进程用户会获取更多的cpu时间，而且启动1个进程的用户可能很久都得不到执行，所以很不公平，所以就搞了一个用户级别的资源分配，为每个用户分配相对公平的资源，没有达到被分配资源的进程有更高优先级。

 

总结

先来先服务，不公平，排在后面的进程等待时间较长。最短作业优先，也不公平，但是平均等待时间最小，可能导致饥饿，同时需要准确预估程序的运行时间。轮转算法，很公平。多级队列调度，根据CPU和I/O状态动态调整进程的优先级。公平共享调度，也很公平。

 

参考：

《现代操作系统》

清华大学操作系统公开课