第四章 处理机调度

JOB1 JOB2 JOB3 JOB4
10：00 10：50 11：00 11：20
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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进程调度的例题
有三个进程A、B、C，它们先后（但又
几乎同时到达）进入就绪队列。它们的
CPU执行时间分别为21、6和3个单位时
间，如果按照FCFS和SPF算法进行调度，
它们的平均周转时间是多少？
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4.4 实时系统调度
实时操作系统指系统能及时响应外
部事件的请求并且在规定的时间内
完成对该事件的处理，并控制所有 实时任务协调一致的运行。
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二、作业调度算法
先来先服务算法（FCFS） 最短作业优先算法(SJF) 最高响应比优先算法(HRN) 优先级算法
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作业调度算法性能的衡量
周转时间Ti Ti＝Tei－Tsi＝Twi+Tri 平均周转时间 T=(
Ti ) ×
i 1
n
1 n
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作业调度算法性能的衡量
带权周转时间 Wi=Ti/Tri 平均带权周转时间
2
处理机
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。
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处理机调度的分类
按层次可把处理机调度分成三个层次： 高级调度 中级调度 低级调度
高级调度
也称为作业调度或宏观调度，通常在分时系
统和实时系统中没有作业调度。
因为在分时系统中为了缩短响应时间，作业
不是建立在外存，而是直接建立在内存中。 高级调度的时间尺度通常是分钟、小时或天
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中级调度
又称交换调度，主要任务是按一定算法在内存和 外存之间进行进程的对换。 目的是为了使内存紧张的情况得到缓和。
从存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
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进程调度两种占用CPU的方式：
不可剥夺式（不可抢占式Non-Preemptive） 某一进程被调度运行后，除非由于它自 身的原因不能运行，否则一直运行下去。 可剥夺式（可抢占式 preemptive ） 进程在运行时，系统根据某种原则，剥 夺已分配给它的处理机，在分配给其他进程。
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剥夺的原则
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进程（上下文）切换步骤
决定是否做上下文切换以及是否允许做。 保存CPU的上下文（包括程序计数器和其 它寄存器），以及其它相关信息到运行进 程的PCB中去。 把该进程移至合适的队列--就绪、阻塞队 列。 选择另一个要执行的进程。 恢复或装配所选进程的上下文，将CPU控 制权交给所选进程。 31
面向系统的时候，需要考虑系统的吞吐 量和设备的利用率。
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处理机调度的分类
按层次可把处理机调度分成三个层次： 高级调度 中级调度 低级调度
4.2 作业调度
12
4.2
作业调度
作业调度的主要任务是按一定的算法对外存输 入井上的大量后备作业进行选择，为选出的作业分配
资源，并建立进程，使进程进入就绪队列，等待进程
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频率单调调度算法
该算法是一种被广泛用于多周期性
实时处理的调度算法。算法基本原理 是频率越低的任务优先级越低。 使用该算法的必要条件：
任务的执行时间<=任务周期
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使用该算法的充分条件：
使用该算法的充分条件：
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练习题：
一、判断题
1、短进程优先调度算法是从作业后备队列中 选择一个估计运行时间最短的作业调入内存 予以执行。 （ ×） 2、中级调度就是实现在外存上的进程与进程 之间的转换。 （ ×）
当正在执行的进程由于某种原因要让出 处理机的时候，系统要做进程上下文切换。
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二、进程上下文切换
一个进程让出处理器，由另一个进程占 用处理器的过程称为进程上下文切换。 进程的切换使系统中的各进程均有机会 占用CPU。 进程的切换是由进程状态的变化引起的， 而进程状态的变化又与出现中断事件有 关。
优先权原则—优先权高的进程可 以剥夺优先权低的进程运行；

短进程优先原则—短进程到达后 可以剥夺长进程的运行； 时间片原则—一个时间片运行完 后重新调度。
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多级反馈队列调度算法（1）
该算法是在系统种设置了多个就绪队列， 并赋予各个队列不同的优先级。系统在调 度时，总是先调度第一级队列上的进程执 行；当第一级队列空的时候，才调度第二 级队列上的进程执行，以此类推。如果处 理机正在服务第i级队列中的进程又有新的 进程进入较高级队列，此时将引起重新调 度。
1 W= n
Ti × ri i 1
n
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先来先服务算法（FCFS）
将用户作业按提交的先后顺序排成 队列，并按照先来先服务的方式进行 调度处理。
在实际的操作系统中，该算法一般 都不单独使用，而是与其他算法配合使用。
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最短作业优先算法（SJF）
该算法是从后备队列中选择其估计 运行时间最短的作业，使之投入运 行。
33
四、进程调度算法
确定算法的原则
具有公平性 资源利用率高（特别是CPU利用率） 在交互式系统情况下要追求响应时间 （越短越好） 在批处理系统情况下要追求系统吞吐 量
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先来先服务调度算法（FCFS）
按照进程进入就绪队列的先后次序 进行排队，调度时选择队首的进程调 度。 优点:实现简单 缺点:没考虑进程的优先级，对短 进程不公平。
在内存里才能被处理机直接访问
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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 就绪进程或线程进入运行状态。由于低级 调度算法的频繁使用，要求在实现时做到 高效。 最基本的调度，三种类型的系统都配置。
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与调度算法和性能有关的指标（1）
1、周转时间—指将一个作业提交给系统 到该作业的结果返回给用户所需要的时 间。 2、响应时间—指用户向计算机提交一个 请求开始到计算机把相应的执行结果返 回给用户所需要的时间。
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实时操作系统的特点
有限等待时间—所有进程在处理事件 的时候都要在有限时间Βιβλιοθήκη Baidu开始。
有限响应时间—从响应外部事件开始， 必须在有限的时间内处理完毕。 用户控制—用户可以控制进程的优先 级。
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实时操作系统的特点
可靠性高 系统出错处理能力强—系统在出错 的时候，既能处理错误，又不影响 当前正在执行的用户使用。
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先来先服务调度算法计算结果
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 10：00 10 9：00 10：50 20 9：50 11：00 作业平均周转时间 T = 112.5 作业带权平均周转时间 W = 4.975 结束时间 周转时间 （分钟） 120 120 120 90 450 带权周转 时间 1 2.4 12 4.5 19.9
JOB1 JOB2 JOB3 JOB4
10：00 11：20 10：10 10：30
最高响应比优先作业算法计算结果
比较项目算
法 调度方式 吞吐量
FCFS 非抢占式 不突出
SJF 非抢占式 高
HRN 非抢占式 高 提供良好的响应时 间
周转时间
可能很高，特别 对于短作业（进 在进程执行时间 程）提供良好的 有很大变化时 响应时间
开销
最小
可能高
可能高
不利于短作业和 不利于长作业 I/O繁忙型作业
作用 良好的均衡
“饥饿”问题
无
可能
无
4.3 进程调度
进程调度的主要任务是按照某种
算法选取一个就绪对列中的进程占用
处理机。
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一、进程调度的功能
（1）记录系统中所有进程的执行情况；
（2）选择占有处理机的进程；
（3）进行进程上下文的切换。
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优先级算法
选择优先级高的作业首先得到调度 静态优先级 动态优先级
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作业调度算法应用例子
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 时间如下图所示， 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
调度。
应用于批处理系统中或者通用操作 系统中的批处理部分
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一、作业调度的功能
（1）记录系统中各作业的状况。利用作业控
制块JCB。 （2）从后备队列中选择一部分作业投入执行。 （3）为被选中的作业做好执行前的准备工作。 （4）在作业执行结束时做善后处理工作。
设计目标是最大限度地发挥各种资源的利 用率和保持系统内各种活动的充分并行。
P 90
8
与调度算法和性能有关的指标（2）
3、吞吐量—指在给定的时间内，一个 计算机系统所完成的总工作量。
4、设备利用率—主要指输入输出设备
的使用情况。
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与调度算法和性能有关的指标（3）
选择调度方式和调度算法的时候，有的 是面向用户，有的是面向系统。
面向用户的时候，需要考虑周转时间和
响应时间。
该算法中时间片的大小对计算机性能有 很大影响。
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时间片轮转算法例题
系统有三个进程P1、P2、P3先后（但又 几乎同时到达），它们分别需要20、4和2个 单位时间运行完毕。如果采用时间片轮转调 度算法进行调度，它们的平均周转时间是多 少？
P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P1 P2 P1
第四章 处理机调度
4.1 处理机调度概述
4.2 作业调度
4.3 进程调度 4.4 实时系统调度
1
4.1 处理机调度概述
处理机调度（CPU调度）要解决的问题： WHAT：按什么原则分配CPU —调度算法 WHEN：何时分配CPU —调度的时机 HOW： 如何分配CPU —CPU调度过程（进程的上下文切换）
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最短进程优先调度算法（SPF）
从就绪队列中选出一个估计运行时 间最短的进程，把处理机分配给它， 使它立即执行。
此种算法能有效的降低进程的平均周
转时间和提高系统的吞吐量。
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时间片轮转法
该算法中，系统将所有就绪进程按FIFO原则排 成一个环行队列，把CPU分配给队首进程，并规定 它执行一个时间片，当时间片用完的时候，系统剥 夺该进程处理机将它送入就绪队列的末尾，重新分 配给队列中新的队首进程。
三、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 当一个进程在运行时变为等待状态（等 待I/O） 分时系统中时间片到
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三、进程调度的时机
当有一个优先级更高的进程就绪（可抢 占式） 例如：新创建一个进程；一个等待进程 变成就绪进程 在进程通信中，执行中的进程执行了某 种原语操作（P、V操作，阻塞原语）
……..
P1
T1=26
T2=10
T3=6
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最高优先权优先调度算法
该算法是把处理机分配给就绪队列
中具有最高优先权的进程。
此种算法的关键就是怎样确定进 程的优先权。静态法和动态法。
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确定优先数的方法
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 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 待时间长优先数可改变
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多级反馈队列调度算法（2）
将就绪队列分为N级，每个就绪队列分配给不 同的时间片，队列级别越高，时间片越长，级 别越小，时间片越短； 系统从第一级调度，当第一级为空时，系统转 向第二个队列，.....当运行进程用完一个时 间片，放弃CPU时，进入下一级队列； 等待进程被唤醒时，进入原来的就绪队列； 当进程第一次就绪时，进入第一级队列
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实时操作系统具有的能力
很快的进程或线程切换速度 快速的外部中断响应能力 基于优先级的固定点抢先式调度方式 和基于优先级的随时抢先式调度策略
是实时系统的主要调度策略。
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时限调度算法
该算法是按照用户的时限要求顺序 设置优先级，优先级高的占据处理机。 此种调度是抢先式的。
此种算法可以用于周期性调度和非周 期性调度。
此种算法有利于提高系统的吞吐量和
减少作业的平均周转时间。
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响应比高者优先算法（HRN）

该算法是在进行作业调度时，系
统计算每个作业的响应比，响应比最 高的投入执行。
响应比R = 作业周转时间 / 作业处理时间 =（作业处理时间+作业等待时间）/ 作业处理时间 = 1 +（作业等待时间 / 作业处理时间）