3第三章_cpu调度
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30
高优先级优先调度算法
优先级的类型：
（1）动态优先级 （2）静态优先级
31
高优先级优先调度算法
1）静态优先级（重点）
静态优先权是在创建进程时确定的，且在进程的整个运 行期间保持不变，一般用0～7 或 0～255中的某一整数来表示。 优先级的确立，主要参考以下几种依据：
(1) 进程类型。通常，系统进程(如接收进程、对换进程、磁 盘 I/O 进程)的优先级高于一般用户进程的优先级。 (2) 进程对资源的需求。如进程的估计执行时间及内存需要 量的多少，对这些要求少的进程应赋予较高的优先级。 (3) 用户要求。这是由用户进程的紧迫程度及用户所付费用 的多少来确定优先级的。
作业：作业是一个比程序更为广泛的概念，它不仅包含了通常的程序和 数据，而且还应配有一份作业说明书，系统根据该说明书来对程序的运 行进行控制 作业步：通常，在作业运行期间，每个作业都必须经过若干个相对独立， 又相互关联的顺序加工步骤才能得到结果，我们把其中的每一个加工步 骤称为一个作业步，各作业步之间存在着相互联系，往往是把上一个作 业步的输出作为下一个作业步的输入。 作业流：若干个作业进入系统后，被依次存放在外存上，这便形成了输 入的作业流；在操作系统的控制下，逐个作业进行处理，于是便形成了 处理作业流。
进程调度的功能：
1）保存处理机的现场信息：保存当前进程的处理机的现场 信息，如程序计数器、多个通用寄存器中的内容等，将它们送 入该进程的进程控制块(PCB)中的相应单元。 2）按某种算法选取进程：进程调度程序按某种算法如优先 级算法、轮转法等，从就绪队列中选取一个进程，把它的状态 改为运行状态，并准备把处理机分配给它。
23
先到先服务调度（FCFS）算法
进程处理顺序：
A
B 1
0
C 101 102
D 202
24
先到先服务调度（FCFS）算法
由示例和定义分析、总结： FCFS算法是非抢占式的，短作业C的带权周转时间高达 100，而长作业 D 的带权周转时间仅为1.99，由此可知， FCFS 调度算法有利于 CPU 繁忙型的作业，而不利于 I/O 繁忙型的作业(进程)，而目前的大多数事务处理都属于 I/O 繁忙型作业（进程），如何解决这个问题呢？
3）把处理器分配给进程：由分派程序(Dispatcher)把处理器 分配给进程。通常是先恢复处理现场，装入相关数据到寄存器， 取出断点继续执行。
16
中级调度
又称中程调度(Medium-Term Scheduling)，那些暂时不能运行 的进程不再占用宝贵的内存资源，而将它们调至外存上去等待， 把此时的进程状态称为就绪驻外存状态或挂起状态。当内存稍有 空闲时，由中级调度来决定把外存上的那些又具备运行条件的就 绪进程重新调入内存，并修改其状态为就绪状态，挂在就绪队列 上等待进程调度。（非重点） 目的：提高内存利用率和系统吞吐量 随着CPU的发展，上述这些调度方式，逐渐形成了一定规模的 各种调度模型！
10
高级(作业)调度
作业控制块JCB(Job Control Block)：为了管理和调度作业，在多 道批处理系统中为每个作业设置了一个作业控制块，它是作业在 系统中存在的标志，其中保存了系统对作业进行管理和调度所需 的全部信息。 （作业标识、作业类型、作业状态、调度信息、资源需求进入、 开始、完成、退出时间等） 作业调度：根据作业控制块中的信息，审查系统能否满足用户 作业的资源需求，以及按照一定的算法，从外存的后备队列中选 取某些作业调入内存，并为它们创建进程、分配必要的资源。然 后再将新创建的进程插入就绪队列，准备执行。
多级队列调度算法
多级反馈队列调度
22
先到先服务调度（FCFS）算法
先来先服务(FCFS)调度算法是一种最简单的调度算法，该算 法既可用于作业调度，也可用于进程调度。 1）当在作业调度中采用该算法时，每次调度都是从后备作 业队列中选择一个或多个最先进入该队列的作业，将它们调入内 存，为它们分配资源、创建进程，然后放入就绪队列。 2）在进程调度中采用 FCFS算法时，则每次调度是从就绪队 列中选择一个最先进入该队列的进程，为之分配处理机，使之投 入运行。该进程一直运行到完成或发生某事件而阻塞后才放弃处 理机。 示例：已知A、B、C、D四种进程业分别到达系统的时间和要 求服务的时间，计算它们开始执行的时间及各自的完成时间， 并计算出各自的周转时间和带权周转时间。
14
低级(进程)调度
进程调度方式:
抢占方式(Preemptive Mode)：允许调度程序根据某种原则 去暂停某个正在执行的进程，将已分配给该进程的处理机重新 分配给另一进程。 优点：防止长时间占用处理器，公平，满足实时要求； 缺点：开销较大。
那么，采用进程调度，是要达到什么样的效果呢？
15
低级(进程)调度
32
高优先级优先调度算法
1）静态优先级（重点）
示例：进程A、B、C、D和E在0时刻同时到达系统，已知他们的 要求服务时间以及优先级，计算它们各自的开始执行的时间及 完成时间，并计算出各自的周转时间和带权周转时间。
进程 A B C D E 服务时间 10 1 2 1 5 优先级 3 1 4 5 2
小数字表示 高优先级
13
低级(进程)调度
进程调度方式:
非抢占方式(Non-preemptive Mode)：在采用这种调度方式 时，一旦把处理机分配给某进程后，不管它要运行多长时间， 都一直让它运行下去，决不会因为时钟中断等原因而抢占正在 运行进程的处理机，也不允许其它进程抢占已经分配给它的处 理机。直至该进程完成，自愿释放处理机，或发生某事件而被 阻塞时，才再把处理机分配给其他进程。 优点：实现简单，系统开销小，适用于大多数的批处理系统环境； 缺点：不能立即执行，不适合实时系统等。
6
基本概念
CPU-I/O区间周期
CPU调度程序 分派程序
7
CPU调度准则(目标)
处理机利用率高 系统吞吐量高
周转时间短
响应时间快
截止时间的保证
优先权准则 各类资源的平衡利用
8
CPU调度层次
高级(作业)调度
中级调度 低级(进程)调度
9
高级(作业)调度
又称为作业调度或长程调度(Long Term Scheduling)， 其主 要功能是根据某种算法，把外存上处于后备队列中的那些作 业调入内存，也就是说，它的调度对象是作业。
33
高优先权优先调度算法
进程 服务时 优先级 间 A 10 3 B 1 1 开始时 间 6 0 结束时 间 16 1 周转时 间 16 1 带权周转 时间 1.6 1
C D E
26
最短作业优先调度（SJ(P)F）
SJF调度，进程的处理顺序： A D B 6 9
27
E 13
C 18
0
4
最短作业优先调度（SJ(P)F）
由示例和定义分析、总结： SJ(P)F调度算法可能是抢占式的或非抢占式的，相 对于FCFS调度算法，能有效降低作业的平均等待时 间，提高系统吞吐量，但是，并没有考虑到作业或 进程的紧迫程度，不能保证紧迫型作业（进程）的 及时处理
20
三级调度的调度队列模型
当在 OS 中引入中级调度后，把进程的就绪状态分为内存就 绪(表示进程在内存中就绪)和外存就绪(进程在外存中就绪)。在 中级调度的作用下，可使外存就绪转为内存就绪。（非重点） 流程图：
上述模型中，内部是如何调度相关的进程呢？
21
调度算法
先到先服务调度（FCFS）算法 最短作业优先调度（SJ(P)F） 高优先级优先调度算法 轮转法调度
25
最短作业优先调度（SJ(P)F）
短作业(进程)优先调度算法SJ(P)F，是指对短作业或短 进程优先调度的算法。它们可以分别用于作业调度和进程 调度。 1）短作业优先(SJF)的调度算法是从后备队列中选择一 个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运 行。 2）短进程优先(SPF)调度算法则是从就绪队列中选出一 个估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它，使它立 即执行并一直执行到完成，或发生某事件而被阻塞放弃处 理机时再重新调度。 示例：已知A、B、C、D、E五种进程分别到达系统的时间 和要求服务的时间，比较这五个进程分别采用FCFS算法和 SJF算法进行调度的执行结果。
由图分析，和进程调度模型比较，发现有两个方面不同：
(1) 就绪队列的形式。 在批处理系统中， 最常用的是最高优先权优先调度算法， 相应地，最常用的就绪队列形式是优先权队列； (2) 设置多个阻塞队列。当系统较大时，若仍只有一个阻塞队列，其长度必然会 很长，队列中的进程数可以达到数百个，这将严重影响对阻塞队列操作的效率。
11
低级(进程)调度
通常也把低级调度(Low Level Scheduling)称为 进程调度或短程调度(Short Term Scheduling)，它 所调度的对象是进程(或内核级线程)。 进程调度是最基本的一种调度，在多道批处 理、分时和实时三种类型的OS中，都必须配置 这级调度。（重点）
12
17
调度模型
低级(进程)调度的调度队列模型(重点)
高级(作业)和低级(进程)调度的调度队 列模型 三级调度的调度队列模型
18
进程调度的调度队列模型(重点)
处于就绪状态的进程组织成栈、树或一个无序链表等，至于到 底采用其中哪种形式，则与OS类型和所采用的调度算法有关。
流程图：
由图分析，发现进程在执行时都可能出现以下三种情况：
该算法主要有以下几种方式：
（1）非抢占式优先级算法
在这种调度方式下，系统一旦把处理机分配给就绪队列中 优先级最高的进程后，该进程就能一直执行下去，直至完成； 或因等待某事件的发生使该进程不得不放弃处理机时，系统才 能将处理机分配给另一个优先级高的就绪进程。 （2）抢占式优先级算法
系统把处理机分配给优先级最高的进程，使之执行。但在 其执行期间，一旦出现一个优先级更高的就绪进程，进程调度 程序就立即停止当前进程(原优先级最高的进程)的执行，重新将 处理机分配给新到的优先级最高的进程。
(1) 任务在给定的时间片内已经完成，该进程便在释放处理机后进入完成状态；
(2) 任务在本次分得的时间片内尚未完成，OS便将该任务再放入就绪队列的末尾；
(3) 在执行期间，进程因为某事件而被阻塞后，被OS放入阻塞队列。
19
高级和低级调度的调度队列模型
从外存的后备队列中选择一批作业调入内存，并为它们建立进 程，送入就绪队列，然后才由进程调度按照一定的进程调度算法选 择一个进程，把处理机分配给该进程。的人是什么？ 何为兵法？
作业或进程 处理器（CPU）
4
追踪问题
CPU是什么
是一块超大规模的集成电路，是一台计 算机的运算核心和控制核心。
CPU干什么
按某种算法，动态地把处理机（CPU） 分配给就绪队列中的一个进程，使之执行。
提出问题：CPU如何去调度某个进程？
5
CPU 调度
低级(进程)调度
进程调度中的三个基本机制：
排队器：为了提高进程调度的效率，应事先将系统中所有的 就绪进程按照一定的方式排成一个或多个队列，以便调度程序能 最快地找到它。 分派器：把由进程调度程序所选定的进程，从就绪队列中取 出该进程，然后进行上下文切换，将处理机分配给它。 上下文切换机制：当对处理机进行切换时，会发生两对上下 文切换操作。在第一对上下文切换时，操作系统将保存当前进程 的上下文，而装入分派程序的上下文，以便分派程序运行；在第 二对上下文切换时，将移出分派程序，而把新选进程的CPU现场 信息装入到处理机的各个相应寄存器中。
28
高优先级优先调度算法
为了照顾紧迫型作业， 使之在进入系统后便获得 优先处理， 引入了最高优先级优先调度算法。 1）当把该算法用于作业调度时，系统将从后备队 列中选择一个或若干个优先级最高的作业装入内存； 2）当用于进程调度时，该算法是把处理机分配给 就绪队列中优先级最高的进程。
29
高优先级优先调度算法
第3章 CPU调度
本章内容
1.1 场景引入
1.2 CPU调度 1.3 多CPU调度
1.4 总结
2
兴趣话题
两军对垒，实力相当，如何取胜？
3
分析问题
《宋史· 岳飞传》记载，岳飞对宗泽说：“阵而后战，兵法
之常，运用之妙，存乎一心。”
意思是摆好阵势以后出战，这是打仗的常规，但运用的 巧妙灵活，全在于善于思考。指高超的指挥作战的艺术。
高优先级优先调度算法
优先级的类型：
（1）动态优先级 （2）静态优先级
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高优先级优先调度算法
1）静态优先级（重点）
静态优先权是在创建进程时确定的，且在进程的整个运 行期间保持不变，一般用0～7 或 0～255中的某一整数来表示。 优先级的确立，主要参考以下几种依据：
(1) 进程类型。通常，系统进程(如接收进程、对换进程、磁 盘 I/O 进程)的优先级高于一般用户进程的优先级。 (2) 进程对资源的需求。如进程的估计执行时间及内存需要 量的多少，对这些要求少的进程应赋予较高的优先级。 (3) 用户要求。这是由用户进程的紧迫程度及用户所付费用 的多少来确定优先级的。
作业：作业是一个比程序更为广泛的概念，它不仅包含了通常的程序和 数据，而且还应配有一份作业说明书，系统根据该说明书来对程序的运 行进行控制 作业步：通常，在作业运行期间，每个作业都必须经过若干个相对独立， 又相互关联的顺序加工步骤才能得到结果，我们把其中的每一个加工步 骤称为一个作业步，各作业步之间存在着相互联系，往往是把上一个作 业步的输出作为下一个作业步的输入。 作业流：若干个作业进入系统后，被依次存放在外存上，这便形成了输 入的作业流；在操作系统的控制下，逐个作业进行处理，于是便形成了 处理作业流。
进程调度的功能：
1）保存处理机的现场信息：保存当前进程的处理机的现场 信息，如程序计数器、多个通用寄存器中的内容等，将它们送 入该进程的进程控制块(PCB)中的相应单元。 2）按某种算法选取进程：进程调度程序按某种算法如优先 级算法、轮转法等，从就绪队列中选取一个进程，把它的状态 改为运行状态，并准备把处理机分配给它。
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先到先服务调度（FCFS）算法
进程处理顺序：
A
B 1
0
C 101 102
D 202
24
先到先服务调度（FCFS）算法
由示例和定义分析、总结： FCFS算法是非抢占式的，短作业C的带权周转时间高达 100，而长作业 D 的带权周转时间仅为1.99，由此可知， FCFS 调度算法有利于 CPU 繁忙型的作业，而不利于 I/O 繁忙型的作业(进程)，而目前的大多数事务处理都属于 I/O 繁忙型作业（进程），如何解决这个问题呢？
3）把处理器分配给进程：由分派程序(Dispatcher)把处理器 分配给进程。通常是先恢复处理现场，装入相关数据到寄存器， 取出断点继续执行。
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中级调度
又称中程调度(Medium-Term Scheduling)，那些暂时不能运行 的进程不再占用宝贵的内存资源，而将它们调至外存上去等待， 把此时的进程状态称为就绪驻外存状态或挂起状态。当内存稍有 空闲时，由中级调度来决定把外存上的那些又具备运行条件的就 绪进程重新调入内存，并修改其状态为就绪状态，挂在就绪队列 上等待进程调度。（非重点） 目的：提高内存利用率和系统吞吐量 随着CPU的发展，上述这些调度方式，逐渐形成了一定规模的 各种调度模型！
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高级(作业)调度
作业控制块JCB(Job Control Block)：为了管理和调度作业，在多 道批处理系统中为每个作业设置了一个作业控制块，它是作业在 系统中存在的标志，其中保存了系统对作业进行管理和调度所需 的全部信息。 （作业标识、作业类型、作业状态、调度信息、资源需求进入、 开始、完成、退出时间等） 作业调度：根据作业控制块中的信息，审查系统能否满足用户 作业的资源需求，以及按照一定的算法，从外存的后备队列中选 取某些作业调入内存，并为它们创建进程、分配必要的资源。然 后再将新创建的进程插入就绪队列，准备执行。
多级队列调度算法
多级反馈队列调度
22
先到先服务调度（FCFS）算法
先来先服务(FCFS)调度算法是一种最简单的调度算法，该算 法既可用于作业调度，也可用于进程调度。 1）当在作业调度中采用该算法时，每次调度都是从后备作 业队列中选择一个或多个最先进入该队列的作业，将它们调入内 存，为它们分配资源、创建进程，然后放入就绪队列。 2）在进程调度中采用 FCFS算法时，则每次调度是从就绪队 列中选择一个最先进入该队列的进程，为之分配处理机，使之投 入运行。该进程一直运行到完成或发生某事件而阻塞后才放弃处 理机。 示例：已知A、B、C、D四种进程业分别到达系统的时间和要 求服务的时间，计算它们开始执行的时间及各自的完成时间， 并计算出各自的周转时间和带权周转时间。
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低级(进程)调度
进程调度方式:
抢占方式(Preemptive Mode)：允许调度程序根据某种原则 去暂停某个正在执行的进程，将已分配给该进程的处理机重新 分配给另一进程。 优点：防止长时间占用处理器，公平，满足实时要求； 缺点：开销较大。
那么，采用进程调度，是要达到什么样的效果呢？
15
低级(进程)调度
32
高优先级优先调度算法
1）静态优先级（重点）
示例：进程A、B、C、D和E在0时刻同时到达系统，已知他们的 要求服务时间以及优先级，计算它们各自的开始执行的时间及 完成时间，并计算出各自的周转时间和带权周转时间。
进程 A B C D E 服务时间 10 1 2 1 5 优先级 3 1 4 5 2
小数字表示 高优先级
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低级(进程)调度
进程调度方式:
非抢占方式(Non-preemptive Mode)：在采用这种调度方式 时，一旦把处理机分配给某进程后，不管它要运行多长时间， 都一直让它运行下去，决不会因为时钟中断等原因而抢占正在 运行进程的处理机，也不允许其它进程抢占已经分配给它的处 理机。直至该进程完成，自愿释放处理机，或发生某事件而被 阻塞时，才再把处理机分配给其他进程。 优点：实现简单，系统开销小，适用于大多数的批处理系统环境； 缺点：不能立即执行，不适合实时系统等。
6
基本概念
CPU-I/O区间周期
CPU调度程序 分派程序
7
CPU调度准则(目标)
处理机利用率高 系统吞吐量高
周转时间短
响应时间快
截止时间的保证
优先权准则 各类资源的平衡利用
8
CPU调度层次
高级(作业)调度
中级调度 低级(进程)调度
9
高级(作业)调度
又称为作业调度或长程调度(Long Term Scheduling)， 其主 要功能是根据某种算法，把外存上处于后备队列中的那些作 业调入内存，也就是说，它的调度对象是作业。
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高优先权优先调度算法
进程 服务时 优先级 间 A 10 3 B 1 1 开始时 间 6 0 结束时 间 16 1 周转时 间 16 1 带权周转 时间 1.6 1
C D E
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最短作业优先调度（SJ(P)F）
SJF调度，进程的处理顺序： A D B 6 9
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E 13
C 18
0
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最短作业优先调度（SJ(P)F）
由示例和定义分析、总结： SJ(P)F调度算法可能是抢占式的或非抢占式的，相 对于FCFS调度算法，能有效降低作业的平均等待时 间，提高系统吞吐量，但是，并没有考虑到作业或 进程的紧迫程度，不能保证紧迫型作业（进程）的 及时处理
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三级调度的调度队列模型
当在 OS 中引入中级调度后，把进程的就绪状态分为内存就 绪(表示进程在内存中就绪)和外存就绪(进程在外存中就绪)。在 中级调度的作用下，可使外存就绪转为内存就绪。（非重点） 流程图：
上述模型中，内部是如何调度相关的进程呢？
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调度算法
先到先服务调度（FCFS）算法 最短作业优先调度（SJ(P)F） 高优先级优先调度算法 轮转法调度
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最短作业优先调度（SJ(P)F）
短作业(进程)优先调度算法SJ(P)F，是指对短作业或短 进程优先调度的算法。它们可以分别用于作业调度和进程 调度。 1）短作业优先(SJF)的调度算法是从后备队列中选择一 个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运 行。 2）短进程优先(SPF)调度算法则是从就绪队列中选出一 个估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它，使它立 即执行并一直执行到完成，或发生某事件而被阻塞放弃处 理机时再重新调度。 示例：已知A、B、C、D、E五种进程分别到达系统的时间 和要求服务的时间，比较这五个进程分别采用FCFS算法和 SJF算法进行调度的执行结果。
由图分析，和进程调度模型比较，发现有两个方面不同：
(1) 就绪队列的形式。 在批处理系统中， 最常用的是最高优先权优先调度算法， 相应地，最常用的就绪队列形式是优先权队列； (2) 设置多个阻塞队列。当系统较大时，若仍只有一个阻塞队列，其长度必然会 很长，队列中的进程数可以达到数百个，这将严重影响对阻塞队列操作的效率。
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低级(进程)调度
通常也把低级调度(Low Level Scheduling)称为 进程调度或短程调度(Short Term Scheduling)，它 所调度的对象是进程(或内核级线程)。 进程调度是最基本的一种调度，在多道批处 理、分时和实时三种类型的OS中，都必须配置 这级调度。（重点）
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调度模型
低级(进程)调度的调度队列模型(重点)
高级(作业)和低级(进程)调度的调度队 列模型 三级调度的调度队列模型
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进程调度的调度队列模型(重点)
处于就绪状态的进程组织成栈、树或一个无序链表等，至于到 底采用其中哪种形式，则与OS类型和所采用的调度算法有关。
流程图：
由图分析，发现进程在执行时都可能出现以下三种情况：
该算法主要有以下几种方式：
（1）非抢占式优先级算法
在这种调度方式下，系统一旦把处理机分配给就绪队列中 优先级最高的进程后，该进程就能一直执行下去，直至完成； 或因等待某事件的发生使该进程不得不放弃处理机时，系统才 能将处理机分配给另一个优先级高的就绪进程。 （2）抢占式优先级算法
系统把处理机分配给优先级最高的进程，使之执行。但在 其执行期间，一旦出现一个优先级更高的就绪进程，进程调度 程序就立即停止当前进程(原优先级最高的进程)的执行，重新将 处理机分配给新到的优先级最高的进程。
(1) 任务在给定的时间片内已经完成，该进程便在释放处理机后进入完成状态；
(2) 任务在本次分得的时间片内尚未完成，OS便将该任务再放入就绪队列的末尾；
(3) 在执行期间，进程因为某事件而被阻塞后，被OS放入阻塞队列。
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高级和低级调度的调度队列模型
从外存的后备队列中选择一批作业调入内存，并为它们建立进 程，送入就绪队列，然后才由进程调度按照一定的进程调度算法选 择一个进程，把处理机分配给该进程。的人是什么？ 何为兵法？
作业或进程 处理器（CPU）
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追踪问题
CPU是什么
是一块超大规模的集成电路，是一台计 算机的运算核心和控制核心。
CPU干什么
按某种算法，动态地把处理机（CPU） 分配给就绪队列中的一个进程，使之执行。
提出问题：CPU如何去调度某个进程？
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CPU 调度
低级(进程)调度
进程调度中的三个基本机制：
排队器：为了提高进程调度的效率，应事先将系统中所有的 就绪进程按照一定的方式排成一个或多个队列，以便调度程序能 最快地找到它。 分派器：把由进程调度程序所选定的进程，从就绪队列中取 出该进程，然后进行上下文切换，将处理机分配给它。 上下文切换机制：当对处理机进行切换时，会发生两对上下 文切换操作。在第一对上下文切换时，操作系统将保存当前进程 的上下文，而装入分派程序的上下文，以便分派程序运行；在第 二对上下文切换时，将移出分派程序，而把新选进程的CPU现场 信息装入到处理机的各个相应寄存器中。
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高优先级优先调度算法
为了照顾紧迫型作业， 使之在进入系统后便获得 优先处理， 引入了最高优先级优先调度算法。 1）当把该算法用于作业调度时，系统将从后备队 列中选择一个或若干个优先级最高的作业装入内存； 2）当用于进程调度时，该算法是把处理机分配给 就绪队列中优先级最高的进程。
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高优先级优先调度算法
第3章 CPU调度
本章内容
1.1 场景引入
1.2 CPU调度 1.3 多CPU调度
1.4 总结
2
兴趣话题
两军对垒，实力相当，如何取胜？
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分析问题
《宋史· 岳飞传》记载，岳飞对宗泽说：“阵而后战，兵法
之常，运用之妙，存乎一心。”
意思是摆好阵势以后出战，这是打仗的常规，但运用的 巧妙灵活，全在于善于思考。指高超的指挥作战的艺术。