中国计量大学ppt计算机操作系统第3章
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第三章 处理机调度与死锁
第三章 处理机调度与死锁
3.1 处理机调度的层次与调度算法的目标 3.2 作业与作业调度 3.3 进程调度 3.4 实时调度 3.5 死锁概述 3.6 预防死锁 3.7 避免死锁 3.8 死锁的检测与解除
第三章 处理机调度与死锁
3.1 处理机调度的层次和调度算法的目标
在多道程序系统中，调度的实质是一种资源分配，处 理机调度是对处理机资源进行分配。处理机调度算法 是根据处理机分配策略所规定的处理机分配算法。
第三章 处理机调度与死锁
3.1.2 处理机调度算法的目标
2. 批处理系统的目标 (1) 平均周转时间短
周转时间，指从作业被提交给系统开始，到作业完 成为止的这段时间间隔。包括四部分时间：作业在 外存后备队上等待调度的时间；进程在就绪队列上 等待进程调度的时间，进程在CPU上执行的时间， 进程等待I/O操作完成的时间。 (2) 系统吞吐量高 吞吐量，指在单位时间内系统所完成的作业数。 (3) 处理机利用率高
第三章 处理机调度与死锁
3.1.2 处理机调度算法的目标
3. 分时系统的目标 (1) 响应时间快 响应时间快是选择分时系统中进程调度算法的重要 准则。响应时间，从用户通过键盘提交一个请求开始， 直到屏幕上显示出处理结果为止的一段时间间隔。 (2) 均衡性 系统响应时间的快慢应与用户所请求的复杂性相适应。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.4 多级反馈队列(multileved feedback queue)调度算法
1. 调度机制 (3) 按队列优先级调度。仅当第一队列空闲时，调度程 序才调度第二队列中的进程运行； 仅当第1~(i-1) 队列 均空时，才会调度第i队列中的进程运行。如果处理机 正在第i队列中为某进程服务时，又有新进程进入优先 权较高的队列，则此时新进程将抢占正在运行进程的处 理机，即由调度程序把正在运行的进程放回到第i队列 的末尾，把处理机分配给新到的高优先权进程。
1. 调度机制 (1) 设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。 第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列 的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间 片的大小也各不相同。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.4 多级反馈队列(multileved feedback queue)调度算法
1. 调度机制
就 绪 队 列1
S1
至 CP U
就 绪 队 列2
S2
至 CP U
就 绪 队 列3
S3
至 CP U
就 绪 队 列n
至 CP U
(时 间 片 ：S1＜S2＜S3)
图 3-5 多级反馈队列调度算法
第三章 处理机调度与死锁
3.3.4 多级反馈队列(multileved feedback queue)调度算法
第三章 处理机调度与死锁
3.3.3 优先级调度算法
1. 优先级调度算法的类型 (1) 非抢占式优先级调度算法 (2) 抢占式优先级调度算法 把处理机分配给优先级最高的进程，使之执行。但在 执行期间，只要出现了另一个其优先级更高的进程，调 度程序就将处理机分配给新到的优先级最高的进程。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.3 优先级调度算法
2. 优先级的类型 (1) 静态优先级 静态优先级是在创建进程时确定的，在进程的整个运行 期间保持不变。确定优先级大小的依据有： ① 进程类型。通常系统进程的优先级高于一般用户进 程；②进程对资源的需求。对资源要求少的进程应赋 予较高的优先级；③用户要求。 (2) 动态优先级 在创建进程初赋予一个优先级，然后其值随进程的推 进或等待时间的增加而改变。
第三章 处理机调度与死锁
3.2.3 先来先服务(FCFS)和短作业优先(SJF)调度算法 1. 先来先服务（first-come first-served,FCFS）调度算法 最简单的调度算法，既可用于作业调度，也可用于进程调
度。当在作业调度中采用该算法时，系统将从后备队列中选 择最先进入该队列的作业，将它们调入内存；当在进程调度 采用FCFS算法时，从就绪的进程队列选择最先进入的进程。
1. 作业和作业步 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，每一 个加工步骤称为一个作业步。 2. 作业控制块（Job Control Block, JCB） 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。
第三章 处理机调度与死锁
➢ 自行分析：引起进程调度的原因。
第三章 处理机调度与死锁
3．进程调度方式 2) 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。抢占调 度方式是基于一定原则的，主要有如下几条：
①优先权原则。允许优先权高的新到进程抢占当前进 程的处理机。
第三章 处理机调度与死锁
3.1.2 处理机调度算法的目标
1. 处理机调度算法的共同目标 (1) 资源利用率。为提高系统的资源利用率，应使系统中 的处理机和其它所有资源都尽可能保持忙碌状态。
CP的 U 利用 CP率 有 U 效 CP有 工 U 效 作 CP空 工 时 U 闲 作 间等 时待 间时
(2) 公平性 使诸进程都获得合理的CPU时间，不会发生进程饥饿现象。 (3) 平衡性 保持系统资源使用的平衡性。 (4) 策略强制执行
1．轮转法的基本原理 系统将所有的就绪进程按FCFS策略排成一个就绪队列, 每次调度时，把CPU分配给队首进程，并令其执行一个时 间片。当执行的时间片用完时，调度程序便把处理机分配 给就绪队列中新的队首进程，同时也让它执行一个时间片。 这样就可以保证就绪队列中的所有进程，在一给定的时间 内，均能获得一时间片的处理机执行时间。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.1 进程调度的任务、机制和方式
2. 进程调度机制
(2) 分派器。从就绪队列中取出由进程调度程序所选定的进 程，然后进行从分派器到新选出进程间的上下文切换，将 处理机分配给该进程。 (3) 上下文切换机制。两对上下文切换：①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；②移出分派程序的上下文，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。
第三章 处理机调度与死锁
3.2.4 优先级调度算法和高响应比优先调度算法
1. 优先级调度算法(priority-scheduling algorithm, PSA)
PSA基于作业的紧迫程度，由外部赋予作业相应 的优先级，调度算法根据该优先级进行调度。PSA 可作为作业调度算法，也可作为进程调度算法。
3.2.1 批处理系统中的作业
3. 作业运行的三个阶段和三种状态
（1）收容阶段 用户提交的作业输入到硬盘上，再为该作业建立JCB，
并把它放入作业后备队列中。作业处于“后备状态”。 （2）运行阶段 作业调度选中作业后，为其分配必要的资源和建立进 程，并放入就绪队列。一个作业从第一次进入就绪状 态开始，直到它运行结束前，处于“运行状态”。 （3）完成阶段
第三章 处理机调度与死锁
3.1.2 处理机调度算法的目标
4. 实时系统的目标 (1) 截止时间的保证
截止时间：某任务必须开始执行的最迟时间，或必须 完成的最迟时间。调度算法必须保证实时任务对截止时 间的要求。 (2) 可预测性
第三章 处理机调度与死锁
3.2 作业和作业调度
3.2.1 批处理系统中的作业
②短进程优先原则。允许新到的短进程短可以抢占当前 较长进程的处理机。
③时间片原则。各进程按时间片轮流运行，当一个时间 片用完后，便停止该进程的执行而重新进行调度。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.2 轮转调度算法
基于时间片的轮转(Round Robin, RR)调度算法。就绪 队列上的每个进程每次仅运行一个时间片。
优先 等 权待 要时 求 要间 服 求务 服时 务 要 响 间 时 求 应 间 服 时 务 间 时间
第三章 处理机调度与死锁
3.3 进程调度
3.3.1 进程调度的任务、机制和方式
1. 进程调度的任务 (1) 保存处理机的现场信息 (2) 按某种Leabharlann Baidu法选取进程 (3) 把处理器分配给进程 2. 进程调度机制 为了实现进程调度，应具有如下三个基本机制： (1)排队器。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。
第三章 处理机调度与死锁
3.2.4 优先级调度算法和高响应比优先调度算法 2. 高响应比优先调度算法(Higher Response Ratio Next, HRRN)
HRRN考虑了作业的等待时间和作业运行时间。 优先权的变化规律可描述为：
优先权 等待要时求 间 要服求务服时务间时间 由于等待时间与服务时间之和，就是系统对该作业的响应 时间，故该优先权又相当于响应比RP。据此，又可表示为：
功能是根据算法，决定就绪队列中的哪个进程应获得 处理机，并由分派程序将处理机分配给被选中的进程。
3. 中级调度(Intermediate Scheduling) 又称内存调度。主要目的是为了提高内存利用率和系 统吞吐量。将那些暂时不能运行的进程调至外存上去等 待，称为就绪驻外存状态或挂起状态；把外存上的又具 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。
1. 调度机制 (2) 每个队列都采用FCFS算法。当一个新进程进入内存 后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等 待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完 成，便可准备撤离系统；否则，调度程序便将该进程转 入第二队列的末尾，再同样地按FCFS原则等待调度执行； 如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成，再依 次将它放入第三队列，……，如此下去，当一个长进程从 第一队列依次降到第n队列后，在第n队列中便采取按RR 方式运行。
第三章 处理机调度与死锁
3.2.3 先来先服务(FCFS)和短作业优先(SJF)调度算法 2. 短作业优先(short job first, SJF)调度算法 SJF算法以作业的长短计算优先级，作业越短，其优
先级越高。 SJF算法的缺点：
(1) 必须预知作业的运行时间。 (2) 对长作业非常不利，长作业的周转时间会明显地增长。 (3) 在采用SJF算法时，人-机无法实现交互。 (4) 该调度算法完全未考虑作业的紧迫程度，故不能保 证紧迫性作业能得到及时处理。
3.1.1 处理机调度的层次
1. 高级调度(High Level Scheduling) 又称长程调度或作业调度，调度对象是作业。涉及
两个决定： 1) 接纳多少个作业 ； 2) 接纳哪些作业。
第三章 处理机调度与死锁
3.1.1 处理机调度的层次
2. 低级调度(Low Level Scheduling) 又称短程调度或进程调度，调度对象是进程。主要
第三章 处理机调度与死锁
3.3.1 进程调度的任务、机制和方式
3．进程调度方式
1) 非抢占方式(Nonpreemptive 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。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.2 轮转调度算法
2．进程切换时机 ①若一个时间片未用完，正在运行的进程便已经完成， 则立即激活调度程序，将它从就绪队列中删除，再调度 就绪队列中队首的进程运行，并启动一个新的时间片。 ②在一个时间片用完时，计时器中断处理程序被激活。
3．时间片大小的确定 时间片的大小对系统性能有很大的影响。可取的时间 片大小是略大于一次典型的交互所需要的时间，使大多 数交互式进程能在一个时间片内完成。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.3 多队列调度算法
该算法将系统中的进程就绪队列从一个拆分为若 干个，将不同类型或性质的进程固定分配在不同的 就绪队列，不同的就绪队列采用不同的调度算法， 一个就绪队列中的进程可以设置不同的优先级，不 同的就绪队列也可设置不同的优先级。
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3.3.4 多级反馈队列(multileved feedback queue)调度算法
第三章 处理机调度与死锁
3.1 处理机调度的层次与调度算法的目标 3.2 作业与作业调度 3.3 进程调度 3.4 实时调度 3.5 死锁概述 3.6 预防死锁 3.7 避免死锁 3.8 死锁的检测与解除
第三章 处理机调度与死锁
3.1 处理机调度的层次和调度算法的目标
在多道程序系统中，调度的实质是一种资源分配，处 理机调度是对处理机资源进行分配。处理机调度算法 是根据处理机分配策略所规定的处理机分配算法。
第三章 处理机调度与死锁
3.1.2 处理机调度算法的目标
2. 批处理系统的目标 (1) 平均周转时间短
周转时间，指从作业被提交给系统开始，到作业完 成为止的这段时间间隔。包括四部分时间：作业在 外存后备队上等待调度的时间；进程在就绪队列上 等待进程调度的时间，进程在CPU上执行的时间， 进程等待I/O操作完成的时间。 (2) 系统吞吐量高 吞吐量，指在单位时间内系统所完成的作业数。 (3) 处理机利用率高
第三章 处理机调度与死锁
3.1.2 处理机调度算法的目标
3. 分时系统的目标 (1) 响应时间快 响应时间快是选择分时系统中进程调度算法的重要 准则。响应时间，从用户通过键盘提交一个请求开始， 直到屏幕上显示出处理结果为止的一段时间间隔。 (2) 均衡性 系统响应时间的快慢应与用户所请求的复杂性相适应。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.4 多级反馈队列(multileved feedback queue)调度算法
1. 调度机制 (3) 按队列优先级调度。仅当第一队列空闲时，调度程 序才调度第二队列中的进程运行； 仅当第1~(i-1) 队列 均空时，才会调度第i队列中的进程运行。如果处理机 正在第i队列中为某进程服务时，又有新进程进入优先 权较高的队列，则此时新进程将抢占正在运行进程的处 理机，即由调度程序把正在运行的进程放回到第i队列 的末尾，把处理机分配给新到的高优先权进程。
1. 调度机制 (1) 设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。 第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列 的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间 片的大小也各不相同。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.4 多级反馈队列(multileved feedback queue)调度算法
1. 调度机制
就 绪 队 列1
S1
至 CP U
就 绪 队 列2
S2
至 CP U
就 绪 队 列3
S3
至 CP U
就 绪 队 列n
至 CP U
(时 间 片 ：S1＜S2＜S3)
图 3-5 多级反馈队列调度算法
第三章 处理机调度与死锁
3.3.4 多级反馈队列(multileved feedback queue)调度算法
第三章 处理机调度与死锁
3.3.3 优先级调度算法
1. 优先级调度算法的类型 (1) 非抢占式优先级调度算法 (2) 抢占式优先级调度算法 把处理机分配给优先级最高的进程，使之执行。但在 执行期间，只要出现了另一个其优先级更高的进程，调 度程序就将处理机分配给新到的优先级最高的进程。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.3 优先级调度算法
2. 优先级的类型 (1) 静态优先级 静态优先级是在创建进程时确定的，在进程的整个运行 期间保持不变。确定优先级大小的依据有： ① 进程类型。通常系统进程的优先级高于一般用户进 程；②进程对资源的需求。对资源要求少的进程应赋 予较高的优先级；③用户要求。 (2) 动态优先级 在创建进程初赋予一个优先级，然后其值随进程的推 进或等待时间的增加而改变。
第三章 处理机调度与死锁
3.2.3 先来先服务(FCFS)和短作业优先(SJF)调度算法 1. 先来先服务（first-come first-served,FCFS）调度算法 最简单的调度算法，既可用于作业调度，也可用于进程调
度。当在作业调度中采用该算法时，系统将从后备队列中选 择最先进入该队列的作业，将它们调入内存；当在进程调度 采用FCFS算法时，从就绪的进程队列选择最先进入的进程。
1. 作业和作业步 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，每一 个加工步骤称为一个作业步。 2. 作业控制块（Job Control Block, JCB） 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。
第三章 处理机调度与死锁
➢ 自行分析：引起进程调度的原因。
第三章 处理机调度与死锁
3．进程调度方式 2) 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。抢占调 度方式是基于一定原则的，主要有如下几条：
①优先权原则。允许优先权高的新到进程抢占当前进 程的处理机。
第三章 处理机调度与死锁
3.1.2 处理机调度算法的目标
1. 处理机调度算法的共同目标 (1) 资源利用率。为提高系统的资源利用率，应使系统中 的处理机和其它所有资源都尽可能保持忙碌状态。
CP的 U 利用 CP率 有 U 效 CP有 工 U 效 作 CP空 工 时 U 闲 作 间等 时待 间时
(2) 公平性 使诸进程都获得合理的CPU时间，不会发生进程饥饿现象。 (3) 平衡性 保持系统资源使用的平衡性。 (4) 策略强制执行
1．轮转法的基本原理 系统将所有的就绪进程按FCFS策略排成一个就绪队列, 每次调度时，把CPU分配给队首进程，并令其执行一个时 间片。当执行的时间片用完时，调度程序便把处理机分配 给就绪队列中新的队首进程，同时也让它执行一个时间片。 这样就可以保证就绪队列中的所有进程，在一给定的时间 内，均能获得一时间片的处理机执行时间。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.1 进程调度的任务、机制和方式
2. 进程调度机制
(2) 分派器。从就绪队列中取出由进程调度程序所选定的进 程，然后进行从分派器到新选出进程间的上下文切换，将 处理机分配给该进程。 (3) 上下文切换机制。两对上下文切换：①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；②移出分派程序的上下文，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。
第三章 处理机调度与死锁
3.2.4 优先级调度算法和高响应比优先调度算法
1. 优先级调度算法(priority-scheduling algorithm, PSA)
PSA基于作业的紧迫程度，由外部赋予作业相应 的优先级，调度算法根据该优先级进行调度。PSA 可作为作业调度算法，也可作为进程调度算法。
3.2.1 批处理系统中的作业
3. 作业运行的三个阶段和三种状态
（1）收容阶段 用户提交的作业输入到硬盘上，再为该作业建立JCB，
并把它放入作业后备队列中。作业处于“后备状态”。 （2）运行阶段 作业调度选中作业后，为其分配必要的资源和建立进 程，并放入就绪队列。一个作业从第一次进入就绪状 态开始，直到它运行结束前，处于“运行状态”。 （3）完成阶段
第三章 处理机调度与死锁
3.1.2 处理机调度算法的目标
4. 实时系统的目标 (1) 截止时间的保证
截止时间：某任务必须开始执行的最迟时间，或必须 完成的最迟时间。调度算法必须保证实时任务对截止时 间的要求。 (2) 可预测性
第三章 处理机调度与死锁
3.2 作业和作业调度
3.2.1 批处理系统中的作业
②短进程优先原则。允许新到的短进程短可以抢占当前 较长进程的处理机。
③时间片原则。各进程按时间片轮流运行，当一个时间 片用完后，便停止该进程的执行而重新进行调度。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.2 轮转调度算法
基于时间片的轮转(Round Robin, RR)调度算法。就绪 队列上的每个进程每次仅运行一个时间片。
优先 等 权待 要时 求 要间 服 求务 服时 务 要 响 间 时 求 应 间 服 时 务 间 时间
第三章 处理机调度与死锁
3.3 进程调度
3.3.1 进程调度的任务、机制和方式
1. 进程调度的任务 (1) 保存处理机的现场信息 (2) 按某种Leabharlann Baidu法选取进程 (3) 把处理器分配给进程 2. 进程调度机制 为了实现进程调度，应具有如下三个基本机制： (1)排队器。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。
第三章 处理机调度与死锁
3.2.4 优先级调度算法和高响应比优先调度算法 2. 高响应比优先调度算法(Higher Response Ratio Next, HRRN)
HRRN考虑了作业的等待时间和作业运行时间。 优先权的变化规律可描述为：
优先权 等待要时求 间 要服求务服时务间时间 由于等待时间与服务时间之和，就是系统对该作业的响应 时间，故该优先权又相当于响应比RP。据此，又可表示为：
功能是根据算法，决定就绪队列中的哪个进程应获得 处理机，并由分派程序将处理机分配给被选中的进程。
3. 中级调度(Intermediate Scheduling) 又称内存调度。主要目的是为了提高内存利用率和系 统吞吐量。将那些暂时不能运行的进程调至外存上去等 待，称为就绪驻外存状态或挂起状态；把外存上的又具 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。
1. 调度机制 (2) 每个队列都采用FCFS算法。当一个新进程进入内存 后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等 待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完 成，便可准备撤离系统；否则，调度程序便将该进程转 入第二队列的末尾，再同样地按FCFS原则等待调度执行； 如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成，再依 次将它放入第三队列，……，如此下去，当一个长进程从 第一队列依次降到第n队列后，在第n队列中便采取按RR 方式运行。
第三章 处理机调度与死锁
3.2.3 先来先服务(FCFS)和短作业优先(SJF)调度算法 2. 短作业优先(short job first, SJF)调度算法 SJF算法以作业的长短计算优先级，作业越短，其优
先级越高。 SJF算法的缺点：
(1) 必须预知作业的运行时间。 (2) 对长作业非常不利，长作业的周转时间会明显地增长。 (3) 在采用SJF算法时，人-机无法实现交互。 (4) 该调度算法完全未考虑作业的紧迫程度，故不能保 证紧迫性作业能得到及时处理。
3.1.1 处理机调度的层次
1. 高级调度(High Level Scheduling) 又称长程调度或作业调度，调度对象是作业。涉及
两个决定： 1) 接纳多少个作业 ； 2) 接纳哪些作业。
第三章 处理机调度与死锁
3.1.1 处理机调度的层次
2. 低级调度(Low Level Scheduling) 又称短程调度或进程调度，调度对象是进程。主要
第三章 处理机调度与死锁
3.3.1 进程调度的任务、机制和方式
3．进程调度方式
1) 非抢占方式(Nonpreemptive 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。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.2 轮转调度算法
2．进程切换时机 ①若一个时间片未用完，正在运行的进程便已经完成， 则立即激活调度程序，将它从就绪队列中删除，再调度 就绪队列中队首的进程运行，并启动一个新的时间片。 ②在一个时间片用完时，计时器中断处理程序被激活。
3．时间片大小的确定 时间片的大小对系统性能有很大的影响。可取的时间 片大小是略大于一次典型的交互所需要的时间，使大多 数交互式进程能在一个时间片内完成。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.3 多队列调度算法
该算法将系统中的进程就绪队列从一个拆分为若 干个，将不同类型或性质的进程固定分配在不同的 就绪队列，不同的就绪队列采用不同的调度算法， 一个就绪队列中的进程可以设置不同的优先级，不 同的就绪队列也可设置不同的优先级。
第三章 处理机调度与死锁
3.3.4 多级反馈队列(multileved feedback queue)调度算法