华南理工大学 操作系统课件第6章 处理机调度

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1. 先来先服务策略 (FCFS)
先来先服务算法是最简单的调度方法。 其基本原则是：按照作业到达 到达系统或进程进入 进入就绪队 到达 进入 列的先后次序来选择。 FCFS 策略是属于不可抢占策略。
简单易行，但调度性能较差，有可能使短的、重要的或紧 迫的作业及进程长期等待。 FCFS策略有利于偏重CPU （CPU-约束）的进程， FCFS策略不利于偏重I/O （I/O-约束）的进程。
②面向系统的标准是为了使系统高效地运行
CPU利用率高：对微机和实时系统不太重要。 系统吞吐量大：吞吐量指单位时间内所完成的进程数。 合理利用各类资源：让各类资源都忙碌，对微机不太重要。
面向用户的标准对所有系统都很重要， 但面向系统的标准在单用户系统中并不重要。
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6.2.1 短程调度标准
2. 与性能相关的标准
P2 P4 8 11 P1 17 P3 24
0
平均等待时间=？
平均周转时间=？
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6.2.2 优先权的使用
Unix/Linux 进程优先级
Windows 进程优先级
在 Unix/Linux 下优先数 在 Windows 2000/XP 越大、优先级越低。例如： 越大、优先级越低。例如：执行 下优先数越大、优先级越高。 下优先数越大、优先级越高。 ps 命令查看进程。 命令查看进程。
ps –ec
例如：低优先级为 4
olwmslave -csh in.rlogind in.telnetd in.rlogind -csh olwmslave -csh a.out -csh
1 1 8 8 10 10 11 11 58 58
14426 15471 9947 15613 9769 17644 14983 16209 19050 19051
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调度频率
长程调度执行不频繁 (可能小于每分钟一次)。 中程调度较频繁。 短程调度执行最频繁 (每秒大于10 次)，需要快速 地执行。
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内容
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 调度类型 调度算法 多处理机调度 实时调度 响应时间
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6.2 调度算法
如何选择和设计调度算法是实现调度的关键。 对调度算法进行评价的常用度量标准是： CPU 利用率：使 CPU 尽可能地忙 吞吐量：单位时间内所完成的作业数 响应时间：从提交请求到到产生第一个响应的时间 P205 轮转(周转)时间：从进程提交到进程完成的时间间隔 等待时间：在就绪队列中等待所花的时间 平均周转时间 是指多个作业的周转时间的平均值。n个作 业的平均周转时间： T =(T1+T2+ … +Tn)/n (Ti为作业i的周转时间) 平均带权周转时间指多个作业的带权周转时间的平均值。 n个作业的平均带权周转时间： W =(W1+W2+ … +Wn)/n (Wi为作业i的带权周转时间)
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6.1.2 中程调度
中程调度也称中级调度。中级调度决定哪些 进程可参与竞争CPU，用以实现进程的活动状态 与静止的挂起态之间的转换。 目的是为了提高内存的利用率和系统吞吐量。 中程调度实际上就是存储器管理中 存储器管理中的（交） 存储器管理中 置换功能（包括普通的交换和修正的交换）。
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6.1.3 短程调度
图 3-3 具有三级调度时的调度队列模型
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高 级 调 度 作 业 调 度 (
执行 Rຫໍສະໝຸດ BaiduN
I/O
内存
readya
挂 起 挂 解
I/O
blockeda
挂 起 挂 解
)
readys
blokeds
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引起进程调度的原因
(1) 时间片到 (按时间片运行) (2) 进程提出I/O请求 ––– 阻塞，调新进程 (3) 进程挂起 (4) 执行信号量Wait而被阻塞 (5) 来了更高优先权 (可被剥夺) (6) 进程运行完了
为解决这个问题，进程优先权可随其年龄或 执行历史改变，一种解决方案是“老化”：即逐 渐增加在系统中等待很长时间的进程的优先权。
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优先权调度例子（假设优先数小优先权高） 假设优先数小优先权高）
在时刻 0，以下进程按 P1，P2，P3，P4 顺序“同时”到达
进程 P1 P2 P3 P4
CPU区间时间（ms） 优先权（数） 6 3 8 1 7 3 3 2
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6.2.1 短程调度标准
1.通常使用的标准 1.通常使用的标准 ①面向用户的标准与单个用户或进程关心的系统性能
周转时间短：指从作业提交到作业完成的时间间隔。 响应时间快：指从用户提交请求到系统产生响应的时间间隔。 期限(截止时间的保证)：截止时间是指某任务必须开始执行或必 须完成的最迟时间。 预测性(稳定性)：对某用户的作业而言，调度策略不应使其响应 时间和周转时间变化太大
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时间片轮转策略(Round-Robin， 2. 时间片轮转策略(Round-Robin，RR)
时间片值g的设置是 算法的关键问题 时间片值 的设置是RR算法的关键问题 的设置是 算法的关键问题。 g足够大到每一进程执行完，->FCFC g适当 ––– 进程均匀执行 g 太小 ––– 开销太大，有切换时间，CPU利用率低。 例：切换 s = 5ms, g = 20ms, 则CPU利率率80％， 有20％花费在进程调度程序。 此片值的设置可以是固定的，也可以是可变的。 RR算法主要用于分时系统或事务处理系统，可保证对 各终端用户的及时响应。但它对偏重CPU的进程和偏重I/O的 进程有不同的处理结果，可以采用虚拟时间片轮转(VRR)策略 来避免这个问题。新加入的特性是附加一个FCFS策略队列来 收集从I/O等待中释放的进程。
短程调度又称为进程调度或低级调度。短程调度决定 哪个进程可获得物理CPU，它是处理机的终结调度，即 物理CPU 物理CPU 微观调度。 短程调度的功能是，从就绪进程队列中挑选一个进程， 并启动执行该进程。 短程调度是最基本的一种调度，它可以采用非抢占方 式或抢占方式。
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6.进程调度模型 6.进程调度模型
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SJF 例子—求平均等待时间 求平均等待时间
进程 P1 P2 P3 P4
P4 3 P1 9 P3 16
CPU区间时间 区间时间 6 8 7 3
P2 24
平均等待时间： (0+3+9+16)/4 = 7 ms 用 FCFS 算法平均等待时间：10.25 ms
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4. 最短剩余时间优先策略 (Shortest Remaining Time，SRT)
第6章 处理机调度 章
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内容
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 调度类型 调度算法 多处理机调度 实时调度 响应时间
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6.1 调度类型
处理机调度问题就是处理器的分配问题。 调度决定了哪些进程将等待、哪些进程被执行，所以直接影响 到系统的执行效率。从根本上讲，调度就是要使队列延迟最 小，并优化系统的执行效率。 目的是使处理机在满足系统要求的响应时间、吞吐量和处理机 利用率的前提下及时地运行进程。 调度被分成3种：
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FCFS 例子
在时刻 0，以下进程按 P1，P2，P3 顺序到达，并被以先来先 服务的规则服务，试求平均等待时间。
进程 P1 P2 P3
P1
CPU 区间时间(ms) 区间时间( 24 3 3
P2 P3
平均等待时间： (0+24+27)/3 = 17 ms 平均周转时间 平均周转时间：
如果进程以顺序 P2，P3，P1 被服务
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RR 例子 (时间片 = 4 ms，求平均等待时间 时间片 ，求平均等待时间)
进程 P1 P2 P3
P1 0 4 P2 8
CPU 区间时间 (ms) 12 5 3
P3 11 P1 P2 15 16 P1 20
平均等待时间=(0+4+8+7+7+1)/3=9ms 平均等待时间=(0+4+8+7+7+1)/3=9ms RR算法的平均等待时间通常是相当长的 RR算法的平均等待时间通常是相当长的
1. 长程、 2. 中程 3. 短程调度。
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6.1.1 长程调度
长程调度又称为作业调度或高级调度。长程调度决 定哪些作业可参与竞争CPU和其他资源，即决定给哪个作 业分配一台虚拟处理机，它是处理机的宏观调度。 长程调度的一般功能是：从后备作业中挑选一个或 多个作业，为它(它们)分配基本的内存和外设资源 资源并建 资源 立相应的进程 进程。 进程 不同类型的操作系统关于长程调度的功能、调度时 机以及工作形式是有差异的。
1)只有进程调度的调度队列模型
图 1 仅具有进程调度的调度队列模型
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6.进程调度模型 6.进程调度模型
2)具有高低级调度的调度队列模型 具有高低级调度的调度队列模型
图 3-2 具有高、低两级调度的调度队列模型
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6.进程调度模型 6.进程调度模型
3)具有三级调度的调度队列模型 具有三级调度的调度队列模型
P2
P3
P1
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平均等待时间：(0+3+6)/3 = 3 ms 平均周转时间
Round-Robin， 2. 时间片轮转策略 (Round-Robin，RR)
RR策略是一种抢占式的进程调度法，是以就绪队列中的所有进程， 均以相等的速度向前进展为特征的。
分配给每一进程在CPU上运行的时间长度，称之为时 时 间片。进程以此时间片为限制，轮流使用CPU。 间片 进程以此时间片为限制，轮流使用 如果时间片到期时，进程尚未完成运行，调度程序将 剥夺它正在使用的CPU，转让给另一进程使用； 如果进程在使用完它的某一时间片之前，已经完成运 行或已阻塞，CPU也立即转让给另一进程使用。 当所有的作业都运行完分配的一个时间片后，第一 个作业才再次得到运行的机会。
标准优先级为 8 高优先级为 13 实时优先级为 24 浏览 Windows 任务管 理器
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6.2.3 调度策略
根据系统的资源分配策略,所设计的资源分配算 法。常见调度算法：
(1)FCFS 先来先服务 (2)RR时间片轮转法 (3)SPN最短进程优先的调度算法 (4)SRT最短剩余时间优先调度算法 (5)HRRN响应比高者优先调度算法 (6)MQFB多级反馈队列调度算法
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时间片轮转算法的特点及改进
对偏重I/O的进程不公平。 改进为虚拟时间片轮转 虚拟时间片轮转算法： 虚拟时间片轮转
新进程基于FCFS进入就绪队列，进程用完时间片 后也进入就绪队列， 进程因I/O阻塞进入I/O队列（没用完时间片 没用完时间片），I/O 没用完时间片 完成后，进程进入附加队列，附加队列的优先级高于 优先级高于就 优先级高于 绪队列，当进程从附加队列被调度时，其运行时间不超 过上次发生中断时剩余的时间。
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3. 最短作业优先策略
First， Shortest Job First，SJF Next， 或Shortest Process Next，SPN
SPN策略是一种非抢占式的方式，它偏袒短者，对短作业 或短进程最为有利，它导致最短的平均周转时间。但它忽 略等待时间的长短，对长作业不利，特别是在抢占方式下， 可能会使长作业无限延迟。 理论上该方法在等待时间方面是最优的，但实际上无法确 切知道下一CPU区间的长度。
根据所面向的对象是否与性能相关，可将其分为与性 能有关的标准和与性能无关的标准。 与性能有关的标准是可定量的，如响应时间和吞吐量。 与性能无关的标准是定性的，如预测性。
调度标准有些是相互独立的，有些是冲突 冲突的， 冲突 不能同时优化。
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6.2.2 优先权的使用
调度可基于优先权。在很多系统中，每个进程都有一 个优先权（或称为优先数），高优先权的进程比低优 先权的进程优先运行。下图说明了优先权的使用。
RQ0 分派 释放
CPU
… RQ1 接收
… RQn
抢占 事件等待 事件发生 阻塞队列
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6.2.2 优先权的使用
完全按优先权调度会出现的问题是，低优先权进 程可能饥饿，当有高优先权的进程流持续到达时， 就会出现这种情况。
7094、 1967年提交的作 1973 年关闭 MIT 的 IBM 7094、发现 1967年提交的作 业还未运行！ 业还未运行！
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长程调度 （续）
长程调度（程序）应该精选要调度的作业，即混有 I/O-约束的作业和 CPU-约束的作业。 • I/O-约束：作业花费在输入/出操作上的时间比花费 在计算上的时间多。 • CPU-约束：作业很少产生 I/O 请求，在计算上的时 间花费较多。 在 Unix 操作系统中没有长程调度程序，只是简单地将 所有新进程放在内存中，以供短期调度程序使用。