进程调度算法
前言
进程调度算法也称 CPU 调度算法，当 CPU 空闲时，操作系统就从就绪队列中按照一定的算法选择某个就绪状态的进程，并给其分配 CPU。通常以下几种情况会发生进程的调度：
- 当进程从运行状态转到等待状态；
- 当进程从运行状态转到就绪状态；
- 当进程从等待状态转到就绪状态；
- 当进程从运行状态转到终止状态；
其中 1 和 4 称为非抢占式调度，2 和 3 称为抢占式调度。非抢占式调度就是当进程正在运行时，它就会一直运行，直到该进程完成或发生某个事件而被阻塞时，才会把 CPU 让给其他进程；抢占式调度就是进程正在运行的时，可以被打断，使其把 CPU 让给其他进程。
下面我们就来说说几种具体的进程调度算法。
先来先服务调度算法（FCFS）
先来先服务调度算法是一个非抢占式的调度算法，顾名思义就是每次从就绪队列选择最先进入队列的进程，然后一直运行，直到进程退出或被阻塞，才会继续从队列中选择第一个进程接着运行。就像下图这样：
可以看出，先来先服务调度算法对长作业有利，对短作业不利，如果一个长作业先运行了，那么后面的短作业就会等待很长的时间。所以该算法适合于 CPU 繁忙型作业的系统，而不适用于 I/O 繁忙型作业的系统。
短作业优先调度算法
短作业优先（SJF）调度算法就是会优先选择运行时间最短的进程来运行，这有助于提高系统的吞吐量。像下图这样：
这种调度算法的优点就是对长作业不利，如果一直都有短作业，那么就会造成长作业饥饿的现象，就是长作业永远得不到运行。
最短剩余时间优先算法
最短剩余时间优先算法（SRTN）是最短作业优先的抢占式版本。
当一个新的进程到达时，把它所需要的整个运行时间与当前进程的剩余运行时间作比较。如果新的进程需要的时间更少，则挂起当前进程，运行新的进程，否则新的进程等待。
高响应比优先调度算法
高响应比优先 （HRRN）调度算法主要是权衡了短作业和长作业，因为上面的先来先服务算法和短作业优先调度算法都没有很好的权衡短作业和长作业。那高响应比优先调度算法是怎么做的呢？
每次进行进程调度时，先计算响应比优先级，然后把响应比优先级最高的进程投入运行，响应比优先级的计算公式：
从公式中可以看出：
- 如果两个进程的「等待时间」相同时，「要求的服务时间」越短，「响应比」就越高，这样短作业的进程容易被选中运行；
- 如果两个进程「要求的服务时间」相同时，「等待时间」越长，「响应比」就越高，这就兼顾到了长作业进程，因为进程的响应比可以随时间等待的增加而提高，当其等待时间足够长时，其响应比便可以升到很高，从而获得运行的机会；
可以将上面的公司换成这样：优先级 = 等待时间 / 要求服务时间 + 1
时间片轮转调度算法
最古老、最简单、最公平且使用最广的算法就是时间片轮转（RR）调度算法，那什么是时间片轮转调度算法呢？如下图所示：
每个进程被分配一个时间段，称为时间片（Quantum），即允许该进程在该时间段中运行，通常一个进程需要需要多个时间片才能运行完成。
- 如果时间片用完，进程还在运行，那么将会把此进程从 CPU 释放出来，并把 CPU 分配另外一个进程；
- 如果该进程在时间片结束前阻塞或结束，则 CPU 立即进行切换；
另外，时间片的长度就是一个很关键的点：
- 如果时间片设得太短会导致过多的进程上下文切换，降低了 CPU 效率；
- 如果设得太长又可能引起对短作业进程的响应时间变长；
通常时间片设为
20ms~50ms通常是一个比较合理的折中值。
最高优先级调度算法
上面的时间片轮转调度算法中所有的进程的优先级都是一样的，但是，对于多用户计算机系统就有不同的看法了，它们希望调度是有优先级的，即希望调度程序能从就绪队列中选择最高优先级的进程进行运行，这称为最高优先级（HPF）调度算法。
进程的优先级可以分为，静态优先级或动态优先级：
- 静态优先级：创建进程时候，就已经确定了优先级了，然后整个运行时间优先级都不会变化；
- 动态优先级：根据进程的动态变化调整优先级，比如如果进程运行时间增加，则降低其优先级，如果进程等待时间（就绪队列的等待时间）增加，则升高其优先级，也就是随着时间的推移增加等待进程的优先级。
该算法也有两种处理优先级高的方法，非抢占式和抢占式：
- 非抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，运行完当前进程，再选择优先级高的进程。
- 抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，当前进程挂起，调度优先级高的进程运行。
该调度算法的缺点就是可能会导致低优先级的进程永远不会执行。
多级反馈队列调度算法
多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）调度算法是「时间片轮转算法」和「最高优先级算法」的综合和发展。
顾名思义：
- 「多级」表示有多个队列，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短。
- 「反馈」表示如果有新的进程加入优先级高的队列时，立刻停止当前正在运行的进程，转而去运行优先级高的队列；
就像下图这样：
上图啥意思呢？
- 设置了多个队列，赋予每个队列不同的优先级，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短；
- 新的进程会被放入到第一级队列的末尾，按先来先服务的原则排队等待被调度，如果在第一级队列规定的时间片没运行完成，则将其转入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成；
- 当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时，有新进程进入较高优先级的队列，则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾，接着让较高优先级的进程运行；
可以发现，对于短作业可能可以在第一级队列很快被处理完。对于长作业，如果在第一级队列处理不完，可以移入下次队列等待被执行，虽然等待的时间变长了，但是运行时间也会更长了，所以该算法很好的兼顾了长短作业，同时有较好的响应时间。
好了，我们的进程调度算法讲解完了，下次再见！
引用：
