华东理工大学《操作系统》第四章处理机调度

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（4）基于优先级调度算法：静态法和动态法
作业调度程序根据JCB优先数决定进入内存的次序,系统开销小
（a）静态优先级（外部优先数）
用户提交作业时，根据急迫程度规定适当的优先数 系统或操作员根据作业类型及要求资源情况指定。
（b）由系统动态计算优先级(内部优先数) 例如：可按如下公式计算作业的优先数：
要求： （1）提供必要的调度信息 就绪时间、开始时限、完成时限、处理时间、资源要求、优先级 （2）快速的外部中断响应能力 （3）调度方式 硬实时任务广泛采用抢占调度方式 有些软实时任务也可用非抢占方式 （4）快速任务分派，进程切换

1.实时系统的特点
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2.实时调度算法
1）时间片轮转法
仅能获得秒级的响应时间，只适用于一般实时信息处理，不能 用于要求严格的实时控制系统中。
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1）调度算法性能的衡量
调度算法的确定基于一定因素，一般系统的设计 目标有：
（1）每天运行尽能多的作业； （2）使CPU保持忙； （3）使I/O保持忙； 常用指标： 周转时间：指将一个作业提交给计算机系统后到该 作业的结果返回给用户所需时间。 吞吐率：在单位时间内，一个计算机系统所完成的 总工作量。 响应时间：从用户向计算机发出一个命令到系统把 相应结果返回所需时间。 6 设备利用率：输入输出设备的使用情况。 （4）对所有作业公平合理。
优先数
0 时间片S1
PCB队列
1 时间片S2 ……
PCB队列
j 时间片Sj
PCB队列
……
PCB队列
i-1 时间片Si-1
i
时间片Si
PCB队列
多级反馈队列
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注：时间片S1<S2<S3< …… <Si
4.6实时系统调度方法
• 实时是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进 行处理，并在被控对象允许的时间范围内作出快速反 应。
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可达几毫秒至100微秒。
3.时限调度算法

以满足用户要求的时限为调度原则 分两种： 处理开始时限 处理结束时限 基本思想：按用户的时限要求顺序设置优先级，时
限要求最近的任务优先占有处理机
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时限调度算法举例

具有处理开始时限要求的非周期实时任务调度 时延要求不严格时，可采用处理开始时限优先 的非抢占调度策略
周转时间与平均周转时间

假定某一作业进入“输 入井”的时间即作业提交 时间为TSi ，作业i的完成 时间为TEi， 它的周转时间为Ti ＝TEi – TSi 则作业平均周转时间为：
n 1 T Ti * i 1 n




一个作业的周转时间即 该作业在系统内停留的 时间，包含两部分：等 待时间和执行时间。 Ti=Twi+Tri Twi指作业由后备状态到 执行状态的等待时间。 Tri作业进入执行态，在 内存的时间
第四章 处理机调度 4.1

分级调度
处理机是计算机系统中的重要资源
处理机调度算法对整个计算机系统的综合性能 指标有重要影响 可把处理机调度分成四个层次：
高级调度 中级调度 低级调度 线程调度

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1)高级调度也称为作业调度或宏观调度
高级调度的时间尺度通常是分钟、小时或天
2)中级调度涉及进程在内外存间的交换，从存
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5．各种进程调度算法
Hale Waihona Puke 1）先进先出进程调度算法（FIFO）
按照进程就绪的先后次序来调度进程 优点:实现简单 缺点:没考虑进程的优先级 短进程可能等待长时间
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2)基于优先级的调度 （HPF—Highest Priority First）
优先选择就绪队列中优先级最高的进程投入运行
确定优先数的方法:
其中，ri 为某作业i的实际执行时间
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用来比较某种调度算法对不同作业流的调度性能。
2)．常见的批处理作业调度算法
（1）先来先服务算法 （FCFS：First Come First Serve） 每个作业按照它们在队列中的等待时间长短来调度，可 能造成短作业等长时间。 （2）最短作业优先算法（SJF：Shortest Job First） 短作业优先，吞吐量大，但长作业可能得不到服务
1 3 3 2 3 4 4 2 2 t 1
处理开始时限 执行任务 任务到达
1
4
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时限调度算法举例


2）具有处理完成时限要求的周期实时任务调 度，采用抢占式调度策略 如系统中有两个周期性实时任务A、B，A要求 每30ms执行一次，处理完成时限为30ms,执行 时间为15ms,而B要求每75ms执行一次,处理完 成时限为75ms,执行时间为45ms.
0
30
t
30
作业

4.2 4.4 4.6
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储器资源管理的角度来看，把进程的部分或全 部换出到外存上，可为当前运行进程的执行提 供所需内存空间，将当前进程所需部分换入到 内存。指令和数据必须在内存里才能被处理机 直接访问
2
3)低级调度也称微观调度，进程调度，从处理机资源分
配的角度来看，处理机需要经常选择就绪进程进入运 行状态，低级调度的时间尺度通常是毫秒级的。由于 低级调度算法的频繁使用，要求在实现时做到高效
用来衡量不同调度算法对同 一作业流的调度性能
其中，n为被测定作业流中的 作业数
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B.带权周转时间

•平均带权周转时间：
带权周转时间是作业周 转时间与作业执行时间 的比： Wi=Ti/Tri
n 1 n Ti W Wi * t n i 1 i 1 r i 1 * n
1)静态优先数法： 在进程创建时指定优先数，在进程运行时优先数不 变 2)动态优先数法： 在进程创建时创立一个优先数，但在其生命周期内 优先数可以动态变化。如等待和占有CPU时间长短 优先数可改变
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3)时间片轮转调度算法 (RR—Round Robin) 把CPU划分成若干时间片（每个时间片的大小视情 况而异，如50ms，100ms或200ms等）,并且按顺序赋 给就绪队列中的每一个进程，进程轮流占 有CPU，当时间片用完时，即使进程未执 行完毕，系统也剥夺该进程的CPU，将该 进程排在就绪队列末尾。同时系统选择另 一个进程运行.
2）非抢占优先调度算法
常用于多道批处理系统中。此算法精心处理后可获得数秒至数 百毫秒的响应时间，可用于不太严格的实时控制系统中。
3）基于固定点抢占的优先权调度算法
允许抢先的固定点间隔比时间片小得多，固定点到来即可将CPU 分配给高优先级任务，可达几十毫秒至几毫秒。可用于大多数的 实时系统中。
4）立即抢占的优先权调度
等待
输 出 井
输出设备
4
作业状态转换图
批处理作业的调度
作业调度又称高级调度或宏观调度，相应地称 进程调度为低级（微观）调度。
主要功能：
1)审查系统能否满足用户作业的资源要求； 只要通过调用相应的资源管理程序的有关部分，审核其JCB 表中是否能满足要求即可 2)按照一定的算法从输入井中的后备作业中选取作业； 调度的关键在选择恰当的算法 3)为选中作业做好执行前的准备，建立进程，分配资源； 4)作业结束后回收资源及JCB。
作业 进入时间 运行 开始时间 结束时间 周转时间 带权周转 时间 （分钟） 时间 （分钟） 120 120 1 8：00 8：00 10：00 50 120 2.4 8：50 10：00 10：50 10 120 12 9：00 10：50 11：00 20 90 4.5 9：50 11：00 11：20 =112. .5 作业平均周转时间 450 19.9 = 4.975 作业带权平均周转时间
JOB1 JOB2 JOB3 JOB4
10：00 11：00 10：10 11：20
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4.3 进程调度算法
1．进程调度
进程调度的任务是控制协调进程对CPU的竞争即按一定的调度算 法从就绪队列中选中一个进程，把CPU的使用权交给被选中的 进程
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要解决的问题： WHAT：按什么原则分配CPU —进程调度算法 WHEN：何时分配CPU —进程调度的时机 HOW： 如何分配CPU —CPU调度过程（进程的切换）
4)线程调度:选择就绪线程进入运行状态，
注：只有批处理系统中存在作业调度，实时与分时系统 中不存在作业调度，只有进程调度、交换调度和线程 调度
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提交状态
数据
后备状态
执行状态
完成状态
…
源程序
作业说 明书
数据
输 入 程 序
作 业 调 度 输 出 程 序
作业控制进程 运行
进程 调度
输入设备
输 入 井
就绪
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(3).响应比高者优先（HRN)的调度算法：
响应比RP定义如下:
作业响应时间 Rp 估计值 运行时间
其中响应时间为作业进入系统后等待时间加上估计的运行时 间，因此，响应比可写为：
作业等待时间 Rp 1 估计值 运行时间
所谓响应比高者优先的算法，就是在每调度一个作业投 入运行时，计算后备作业表中每个作业的响应比，挑选 响应比最高者。兼顾FCFS和SJF
JOB1 JOB2 JOB3 JOB4
10：00 11：20 10：10 10：30
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最高响应比优先作业算法计算结果
作业 进入时间 估计运行 开始时间 时间 （分钟） 120 8：00 8：00 50 8：50 10：10 10 9：00 10：00 20 9：50 11：00 作业平均周转时间 T = 87.5 作业带权平均周转时间 W = 4.075 结束时间 周转时间 （分钟） 120 130 70 90 350 带权周转 时间 1 2.6 7 4.5 16.3
2 进程调度的功能
(1) (2) (3)
记录系统中所有进程的情况，PCB. 选择占有处理机的进程。不同的系统，不同 的选择策略。 进行进程上下文切换 进程上下文由进程程序段、数据段、寄存器 及相关数据结构PCB等组成。
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3 进程调度的时机



当一个进程运行完毕，或由于某种错误而终 止运行 当一个进程在运行中等待资源被阻塞如P原 语 分时系统中时间片到 在进程通信中，执行中的进程执行了 sleep(),wait()
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进程
A1 A2 A3
开始时间
执行时间
完成时限
0 30 60
15 15 15
30 60 90
A4
….. B1 B2 B3 …..
90
…. 0 75 150 …
15
….. 45 45 45 …
120
… 75 150 225 …
A1
B1 15
A2
B1 45
B1 60
A3 75
A4 90
B2 105 130
优先数 = 用户规定优先数 – 作业处理时间 + 作业等待时间 – 输出量
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3）．作业调度算法应用例子1
假设在单道批处理环境下有四个作业，已知它们 进入系统的时间、估计运行时间 应用先来先服务、最短作业优先和最高响应比优 先作业调度算法，分别计算出作业的平均周转 时间和带权的平均周转时间
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先来先服务调度算法计算结果
JOB1 JOB2 JOB3 JOB4
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最短作业优先作业算法计算结果
作业 进入时间 估计运行 开始时间 时间 （分钟） 120 8：00 8：00 50 8：50 10：30 10 9：00 10：00 20 9：50 10：10 作业平均周转时间 T = 95 作业带权平均周转时间 W = 3.25 结束时间 周转时间 （分钟） 120 150 70 40 380 带权周转 时间 1 3 7 2 13
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分时系统中常用时间片轮转法 时间片选择问题： 固定时间片 可变时间片 与时间片q大小有关的因素： 1）系统响应时间R 2）就绪队列中所允许的最大进程数N
R与就绪队列中所允许的最大进程数N和q成比例 R＝Nq. q=R/N N一定时，q正比于系统所要求的响应时间
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4） 多队列反馈轮转算法：
*首先系统中设置多个就绪队列； * 每个就绪队列分配给不同时间片，优先级高的为第 一级队列，时间片最小，随着队列级别的降低，时 间片加大； 当第一级队列空时，就去调度第二级队列，如此类 推； 每个进程并不固定在一个队列上，系统将新创建的 进程放入优先权最高的队列中去； • 当进程在CPU上运行完一个时间片以后并被投入下 一个队列； • 每个队列均按先进先出的算法组织； • 进程由于等待而放弃CPU后，进入等待队列，一旦 23 等待的事件发生，则回到原来的队列末尾。