【操作系统】4.进程调度算法

进程调度算法决定了进程在何时、以何种顺序被分配到 CPU 上执行。不同的调度算法适合不同类型的操作系统和应用需求，以下是一些常用的进程调度算法：

1. 先来先服务调度（FCFS: First-Come, First-Served）

• 算法原理：按进程到达的先后顺序分配 CPU，先到达的进程先被处理。
• 优点：简单易实现，公平性好。
• 缺点：可能导致“饥饿”问题，即后来的短任务可能要等待很长时间，导致平均等待时间较长。
• 适用场景：适合需要简单管理的系统，但不适用于需要快速响应的实时系统。

2. 短作业优先调度（SJF: Shortest Job First）

• 算法原理：选择估计运行时间最短的进程先执行，可以是非抢占式或抢占式。
• 优点：在理想情况下可实现最小的平均等待时间。
• 缺点：无法准确预测进程的执行时间（尤其是动态任务）；可能导致长作业“饥饿”。
• 适用场景：适合批处理系统，适用于已知任务长度的情况。

3. 最短剩余时间优先（SRTF: Shortest Remaining Time First）

• 算法原理：这是 SJF 的抢占式版本。每次有新进程到达时，若新进程的剩余时间短于当前进程，则抢占当前进程。
• 优点：能进一步减少平均等待时间。
• 缺点：实时性差，长任务可能长期等待。
• 适用场景：与 SJF 类似，适合批处理系统。

（  短作业优先 =》减少平均等待时间 ）

4. 优先级调度（Priority Scheduling）

• 算法原理：为每个进程分配一个优先级，优先级高的进程优先执行。可以是抢占式或非抢占式。如果两个进程优先级相同，则采用 FCFS 的方式调度。
• 优点：能保证高优先级任务及时执行。
• 缺点：可能出现“优先级反转”（低优先级进程占用资源，导致高优先级进程无法执行）和“饥饿”（长时间得不到调度）问题。通过引入老化机制（逐渐提高长时间等待的进程优先级）可以缓解饥饿。
• 适用场景：适用于需要根据任务优先级灵活分配资源的系统，如实时系统。

5. 时间片轮转调度（Round Robin）

• 算法原理：为每个进程分配一个固定的时间片，超出时间片则切换到下一个进程，未完成的进程会被放回队列等待下一次轮到。
• 优点：简单公平，适合多任务系统，能保证每个任务都能得到处理。
• 缺点：时间片长度设置不当可能导致较频繁的上下文切换，增加了系统开销；时间片过长又会导致响应变慢。需要根据系统的负载和应用场景来调整，一般在几毫秒到几十毫秒之间。
• 适用场景：广泛应用于分时系统、交互式系统，适合多用户环境。

6. 多级反馈队列调度（Multilevel Feedback Queue Scheduling）

• 算法原理：进程被分配到多个优先级队列中，每个队列有不同的时间片长度和优先级。优先级高的队列时间片较短，优先处理高优先级队列的进程。在任务执行过程中，可以动态优先级调整，即长时间等待的低优先级进程会被提升到更高的优先级队列，以避免长作业饥饿。
• 优点：结合了 短作业优先 和 时间片轮转 的优点，能够高效地处理不同类型的任务。它通过根据任务的执行时间动态调整优先级，可以有效地减少平均等待时间，同时避免长时间的任务阻塞短任务。
• 缺点：算法复杂，管理多个队列需要额外开销。
• 适用场景：适用于需要处理不同类型任务的系统，尤其是需要高响应速度和公平性的操作系统。

7. 实时调度算法

       实时系统中需要特殊的调度算法，以确保任务在特定时间完成。以下是常见的实时调度算法：

• 最早截止时间优先（EDF: Earliest Deadline First）：优先执行最接近截止时间的任务，适用于动态优先级实时系统。
• 最低松弛时间优先（LST: Least Slack Time）：计算任务的松弛时间（截止时间减去剩余执行时间），选择松弛时间最小的任务执行。

       这些实时调度算法保证了系统在特定时间内完成高优先级任务，适合控制系统和嵌入式系统等需要精确时序控制的场景。

拓展：

现代操作系统通常会根据实际需求，将多种调度算法结合起来使用，以实现最佳的性能和响应速度。例如，Windows 和 Linux 中使用的调度算法结合了优先级、时间片轮转和多级反馈队列，以适应不同类型的任务和用户需求。

1）. Windows 操作系统的调度算法

Windows 的调度算法基于优先级调度和多级反馈队列，同时结合了抢占式调度。Windows 中将进程分为不同优先级级别，从 0 到 31，其中：

• 0 级用于系统空闲进程（Idle Process），
• 1 到 15 级用于普通进程（普通用户进程），
• 16 到 31 级用于实时进程（Real-Time Processes）。

Windows 调度算法的关键特点

1. 优先级调度：

   • Windows 会根据进程的优先级来进行调度，高优先级的进程优先获得 CPU。优先级包括 静态优先级 和 动态优先级，动态优先级在进程执行过程中可能会发生调整，例如长时间没有获得 CPU 的低优先级进程会被提升优先级，以避免饥饿现象。

2. 抢占式调度：

   • 如果一个高优先级进程准备运行，那么操作系统会立即中断当前低优先级进程的执行，并将 CPU 资源分配给高优先级进程。

3. 时间片轮转调度：

   • Windows 为普通优先级的进程分配了固定长度的时间片（时间片长度基于系统的设置和进程的优先级）。在同一优先级的进程间，采用时间片轮转方式来保证公平性。实时进程则不会被时间片轮转机制影响。

4. 多级反馈队列：

   • Windows 的调度器使用多级反馈队列，使系统能灵活管理不同类型的进程，并保证高优先级进程的快速响应。

调度算法的应用场景

Windows 的调度算法设计适合桌面环境和交互式系统，确保高优先级任务快速响应，用户操作流畅，同时可以保证普通应用的并行执行。对于实时任务，例如某些驱动程序和系统服务，高优先级可确保其在需要时立即得到 CPU 资源。

2）. Linux 操作系统的调度算法

Linux 的调度算法发展经历了多个版本，不同版本的调度算法特性有所不同。目前，Linux 采用的是基于完全公平调度器（CFS, Completely Fair Scheduler）算法，并结合了优先级和抢占式调度特性。

Linux 调度算法的关键特点

1. 完全公平调度器 (CFS)：

   • CFS 的核心思想是分时公平，即每个进程都能够公平地获得 CPU 时间。CFS 采用一个 红黑树 数据结构来组织进程，红黑树中的节点按照进程的 虚拟运行时间 排序。CFS 会优先调度虚拟运行时间最少的进程，保证每个进程能够平等地获得 CPU 资源。
   • CFS 不使用时间片的概念，而是计算每个进程的虚拟运行时间来实现公平调度。虚拟运行时间会受到进程优先级的影响，优先级越高的进程，其虚拟运行时间的增加速率越慢，从而优先获得调度机会。

2. 抢占式调度：

   • CFS 支持抢占式调度，当有优先级较高或虚拟运行时间较少的进程进入就绪状态时，操作系统会抢占当前正在运行的进程。

3. 实时调度类：

   • 除了普通进程，Linux 还支持 实时进程。实时进程分为 SCHED_FIFO 和 SCHED_RR 两种调度策略：
     • SCHED_FIFO（先进先出调度）：实时进程根据优先级进行调度，优先级高的先执行，没有时间片限制。
     • SCHED_RR（时间片轮转调度）：在同优先级的实时进程间轮流分配 CPU 时间片。
   • 实时进程的优先级高于普通进程，在系统资源紧张的情况下，实时进程会优先获得 CPU 调度。

调度算法的应用场景

Linux 的 CFS 适合服务器环境，其设计目标是确保系统的公平性和高吞吐量，适合长时间运行的任务。在实时性需求较高的场景中，Linux 也提供了实时调度策略，可以保证高优先级的实时任务得到优先调度。

=》 Windows 与 Linux 调度算法的对比：

特性	Windows 调度	Linux 调度
调度策略	优先级调度、多级反馈队列	完全公平调度 (CFS) + 实时调度
优先级范围	0-31	普通优先级进程 + 实时优先级进程
时间片	支持时间片轮转调度	CFS 没有时间片概念，实时进程使用时间片
抢占机制	高优先级任务抢占低优先级任务	高优先级任务抢占低优先级任务
数据结构	多级反馈队列	红黑树（CFS）
适用场景	桌面环境、交互式应用	服务器环境、高吞吐量、多任务并发

总结来说，Windows 更侧重于交互式用户体验的优化，强调响应速度；而 Linux 的 CFS 则更加关注任务的公平性和系统的高吞吐量，适合长时间运行的后台任务。此外，Linux 中的实时调度选项也使其在实时系统中更具灵活性。