调度
调度
调度：当有一堆任务要处理，但由于资源有限，需要某种规则来决定这些任务的顺序
进程（低级）调度
从就绪队列中按某种方法选取一个进程，并将处理机分配给它
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操作系统最基本的一种调度
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频率很高
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主动放弃CPU：
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进程正常终止
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运行过程发生异常
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进程主动请求阻塞（等待I/O）
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被动放弃CPU：
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时间片用完
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更紧急事需要处理
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优先级更高的事进入就绪队列
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不能进行进程调度和切换：
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处理中断时
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进程在操作系统内核程序临界区
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原子操作过程中
进程调度方式：
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抢占式/剥夺调度方式：当有更重要进程需要使用处理机时，暂停当前进程，并将处理机分配给更紧急更重要的进程； 适合于分时、实时操作系统
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非抢占式/非剥夺调度方式：只允许进程主动放弃处理机； 开销小，但无法及时处理紧急任务
进程切换：一个进程让出处理机，另一个进程占用处理机
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对原来运行进程的各种数据保存
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对新的进程各种资源的恢复
进程切换是有代价的：若过于频繁的进行进程的切换与调度，会使整个系统的效率降低 ，系统大部分时间都花在了进程切换上，真正用于执行进程的时间减少
内存（中级）调度
决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存
挂起状态：暂时不能运行的进程调入外存等待，但PCB常驻内存 ，插在挂起队列 ；提高了内存的利用率和系统的吞吐量
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就绪挂起
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阻塞挂起
中级调度比高级调度发生更频繁
挂起的进程映像在外存中，阻塞的进程映像在内存中
作业（高级）调度
按一定原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个作业，给它们分配内存等资源，并建立相应的进程（建立PCB），使它们获得竞争处理机的权利
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外存与内存间的调度
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每个作业只调入一次（建立PCB），调出一次（撤销PCB）
| 高级调度 | 从后备队列调入内存，并创建进程 | 外存->内存（面向作业） | 频率最低 | 无->创建态->就绪态 |
|---|---|---|---|---|
| 中级调度 | 挂起队列调回内存 | 外存->内存（面向进程） | 频率中等 | 挂起态->就绪态;阻塞挂起态->阻塞态 |
| 低级调度 | 就绪队列分配处理机 | 内存->CPU | 频率最高 | 就绪态->运行态 |
调度算法
FCFS、SJF、HRRN适合于早期的批处理系统，没有交互性
时间片轮转调度算法、优先级调度算法、多级反馈队列调度算法适用于交互式系统
先来先服务FCFS
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按照先后顺序进行服务；等待时间越久，越优先得到服务
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非抢占式算法
例：
周转时间：完成时间-到达时间
P1=7-0=7；P2=11-2=9；P3=12-4=8；P4=16-5=11
带权周转时间：周转时间/运行时间
P1=7/7=1；P2=9/4=2.25；P3=8/1=8（短作业的带权周转时间太大）；P4=11/4=2.75
等待时间：周转时间-运行时间
P1=7-7=0；P2=9-4=5；P3=8-1=7；P4=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
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优：公平、算法实现简单；不会导致饥饿 （总会被处理到）
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缺：对长作业有利，对短作业不利
短作业优先SJF
- 最短（服务时间）的进程/作业优先得到服务
- 追求最少的平均周转时间、平均带权周转时间、平均等待时间
- 有抢占式版本，也有非抢占式版本
例：（非抢占式）
周转时间：完成时间-到达时间
P1=7-0=7；P2=12-2=10；P3=8-4=4；P4=16-5=11
带权周转时间：周转时间/运行时间
P1=7/7=1；P2=10/4=2.5；P3=4/1=4；P4=11/4=2.75
等待时间：周转时间-运行时间
P1=7-7=0；P2=10-4=6；P3=4-1=3；P4=11-4=7
平均周转时间=（7+10+4+11）/4=8
平均带权周转时间=（1+2.5+4+2.75）/4=2.56
平均等待时间=（0+6+3+7）/4=4
例：（抢占式）SRTN
周转时间：完成时间-到达时间
P1=16-0=16；P2=7-2=5；P3=5-4=1；P4=11-5=6
带权周转时间：周转时间/运行时间
P1=16/7=2.28；P2=5/4=1.25；P3=1/1=1；P4=6/4=1.5
等待时间：周转时间-运行时间
P1=16-7=9；P2=5-4=1；P3=1-1=0；P4=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
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若未特别说明，默认是非抢占式优先算法
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在所有进程同时可运行/所有进程几乎同时到达，SJF平均等待时间、平均周转时间最少
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抢占式最短优先算法的平均等待时间、平均周转时间最少
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优：最短的平均等待时间、平均周转时间
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缺：不公平：对短作业有利，长作业不利 ；会产生饥饿
高响应比优先HRRN
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不仅考虑作业/进程的等待时间还要考虑运行时间
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每次调度时计算各个作业/进程的响应比，选择响应比高的优先服务
响应比=（等待时间+运行时间）/运行时间≥1
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非抢占式算法
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不会导致饥饿
例：
响应比：
P1：P2=（5+4）/4=2.25；P3=（3+1）/1=4；P4=（2+4）/4=1.5
P1、P3：P2=（6+4）/4=2.5；P4=（3+4）/4=1.75
P1、P3、P2、P4
时间片轮转调度算法RR
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公平、轮流为各个进程服务
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按照到达就绪队列顺序，轮流让各个进程执行一个时间片，未处理完则剥夺处理机，放到就绪队尾重新排序
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用于进程调度 （只有在进入内存建立了进程后才能被分配处理机时间片）
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抢占式算法（由时钟装置发出时钟中断来通知CPU时间片已到）
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常用于分时操作系统，不计算周转时间，更注重响应时间
例：
时间片=2
时间片=5
若时间片太大，使得每个进程都可以在一个时间片内就完成，因此时间片轮转调度算法退化为先来先服务调度算法
若时间片太小，导致进程切换过于频繁，系统花大量时间来处理进程切换，实际执行时间减少
合理时间片：切换进程开销占比不超过1%
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优：公平、响应快；不会导致饥饿
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缺：高频率的进程切换，造成一定开销；不区分任务紧急程度
优先级调度算法
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每个作业/进程有各自的优先级，调度时选择优先级最高的作业/进程
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有抢占式也有非抢占式
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优先级是否可以动态改变：
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静态优先级：创建进程时确定，之后一直不变
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动态优先级：创建进程时确定，之后根据情况动态调整
系统进程优先级＞用户进程；前台进程优先级＞后台进程；操作系统更偏好I/O型进程
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适用于实时操作系统
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优：用优先级区分紧急、重要程度，灵活调整对作业/进程的偏好程度
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缺：会导致饥饿
多级反馈队列调度算法
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用于进程调度
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抢占式算法
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会导致饥饿
例：
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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
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新进程先进入第1级队列，按先来先服务原则等待被分配时间片
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若时间片用完进程未结束，则进程进入下一级队尾
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若到了最后一级，则放入队尾
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只有在第i级队列为空时，才会为第i+1级队列分配时间片
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被强占处理机的进程重新放入原队队尾
调度算法的评价指标
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CPU利用率：忙碌时间/总时间
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系统吞吐量：总共完成的作业量/总共花的时间
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周转时间：从作业被提交给系统开始，到作业完成为止=作业完成时间-作业提交时间
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高级调度时间
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低级调度时间（就绪）
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CPU上运行时间（运行）
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等待I/O操作时间（阻塞）
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带权周转时间：作业周转时间/实际运行时间（必然≥1）
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周转时间、带权周转时间都是越小越好
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等待时间：
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进程的等待时间：进程建立后，等待被服务的时间之和
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作业的等待时间：进程建立后的等待时间+作业在外存后备队列中等待的时间
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响应时间：用户从提交请求到首次产生响应的时间
