学习日期：2024.7.4

内容摘要：各种调度算法的思想、规则、优缺点介绍

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为什么要有调度算法？

调度算法就好比一群人在银行办理业务，准备办理业务的人就是进程/作业，银行窗口的工作人员就是CPU，进程往往是比CPU数目多的。调度算法就是决定，哪些人可以先被服务，哪些人要排队等待。

适用于批处理系统的调度算法

先来先服务（FCFS）

先来先服务算法（FCFS，First Come First Serve），最简单的做法就是先来后到，先到银行的人先办业务。但是，有可能先到的“人”是来办理贷款的，谈了好几个小时都没谈完，后面一群人都只需要几分钟就能办完业务，但是都得被迫堵在后面排队，显然很不方便。

算法思想：主要按“公平”的角度考虑。（类似生活中排队办业务）

算法规则：按照作业/进程到达的先后顺序服务。

是否抢占：非抢占式算法。

优点：公平、算法实现很简单

缺点：排在长作业后面的短作业需要等待很长时间，带权周转时间很大，对短作业来说用户体验很差。即FCFS算法对长作业有利，对短作业不利。

是否会导致饥饿：不会，只要进程一直等待一定能得到服务。（饥饿：进程一直得不到服务）

短作业优先（SJF）

短作业优先算法（SJF，Shortest Job First），工作人员先服务任务简单，耗时少的客户，快速搞定，不让他们一直等。但是，如果源源不断的一直有任务简单耗时少的客户，想办大业务的客户等到银行下班也不能办理业务。

SPF就是Shortest Process First，短进程优先算法，除调度对象外没有区别。

算法思想：追求最少的平均等待时间、平均（带权）周转时间（详见《调度算法的评价指标》

注意前提！当所有进程几乎同时到达时，采用SJF调度算法的平均等待时间和平均周转时间最少。 

算法规则：最短的作业/进程优先得到服务（“最短”指的是要求服务时间最短）

                  每次调度时，选择当前已经到达的作业中运行时间最短的作业。

是否抢占：非抢占式算法，但也有抢占式的版本SRTN（Shortest Remaining Time Next，最短剩余时间优先算法）

        SRTN在就绪队列改变时（有新进程加入，当前进程完成）就需要调度，如果新进程的剩余时间比当前正在运行的进程的剩余时间更短，则由新进程抢占处理机，当前运行的进程重新回到就绪队列

        SRTN调度算法的平均等待时间和平均周转时间最少。

优点：平均等待时间和平均周转时间较小

缺点：不公平，对短作业有利，对长作业不利，且作业的运行时间是由用户提供的估计值，并不是精确值，不一定能做到真正的短作业优先。

是否会导致饥饿：会，如果源源不断的有短作业到来，长作业就会一直得不到服务。

思考：FCFS算法只考虑了进程的等待时间而不考虑运行时间，导致了对短作业不友好，而SJF算法又只考虑了运行时间不考虑等待时间，对长作业不友好，甚至会造成长作业饥饿，这两种算法都有点太极端了，那么能不能设计一个同时考虑到等待时间和运行时间的算法呢？于是，高响应比优先（HRRN）算法应运而生。

高响应比优先（HRRN）

高响应比优先算法（HRRN，Highest Response Ratio Next），引入了响应比这一概念来衡量作业的优先级，先为响应比高的作业提供服务。

响应比=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间，即1+（等待时间/要求服务时间）

当等待时间很长时，分子较大，响应比高。当要求服务时间较小时，分母较小，响应比高。这样，等待时间长的和任务简单耗时少的进程都会有较高的优先级，综合了以上两种方法的优点。

算法思想：综合考虑进程的等待时间和要求服务的时间

算法规则：在每次调度时先计算各个作业/进程的响应比，选择响应比最高的服务

是否抢占：非抢占式算法，当前运行的作业主动放弃处理机时，计算所有就绪队列的进程的响应比，选择响应比最高的进程上处理机。

优点：综合考虑了等待时间和运行时间，综合了SJF和FCFS的优点。

缺点：无明显缺点，但作业的运行时间在实际运行前是估计值，不是精确值，可能会有影响。

是否会导致饥饿：不会，对于长作业来说，随着等待时间越来越久，其响应比也会越来越大。

以上三种算法都同时适用于作业调度和进程调度，主要关心对用户的公平性，平均周转时间、平均等待时间等评价系统整体性能的指标，但是不关心“响应时间”，也不区分任务的紧急程度，对于用户来说交互性很差，因此以上三种算法一般适用于早期的批处理操作系统。因为此时计算机非常昂贵，个人计算机较少，通常使用公用计算机，人们更追求系统的整体性能，而不是很在乎个人的使用体验如何。

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适用于交互式系统的调度算法

时间片轮转（RR）

时间片轮转调度算法（RR，Round-Robin），时间片：操作系统规定的一定量的时间。

如果时间片太大，每个进程都能在一个时间片内完成，则RR算法会退化为先来先服务算法，失去了RR算法的意义。

另一方面，进程的调度、切换是有时间代价的（保存和恢复运行环境），如果时间片太小，会导致进程切换过于频繁，系统会花大量时间来处理进程切换，从而导致实际用于进程执行的时间比例减少。

算法思想：公平、轮流地为各个进程服务，让每个进程在一定的时间间隔内都可以得到响应

算法规则：按照各个进程到达就绪队列的顺序，轮流人各个进程执行一个时间片（如100ms），若在时间片内进程没有执行完，则剥夺处理机，将进程放到就绪队列尾重新排队，进行调度；若执行完，则主动下处理机，进行调度。每次调度时，选择就绪队列头的进程执行一个时间片。

如果在某一时刻当前进程的时间片用完，且刚好有新进程到达，则默认新到达的进程先进入就绪队列，轮转下来的进程后进入。

是否抢占：是，若进程未在时间片内运行完，会被剥夺处理机。

适用场景：仅用于进程调度，只有作业放入了内存建立了相应的进程后，才能被分配处理机时间片

优点：公平，响应快，适用于分时操作系统。

缺点：高频率的进程切换会导致一定的时间开销，不区分任务的紧急程度，只按时间片轮转。

是否会导致饥饿：不会，随着时间片轮转一定能轮转到每个等待的进程。

优先级调度

优先级调度算法

算法思想：随着实时操作系统的出现，一些应用场景需要根据任务的紧急程度来决定处理顺序。

算法规则：每个进程/作业都有各自的优先级，调度时选择优先级最高的进程/作业，如果是考试做题，题目中会给出进程/作业对应的优先数，优先数越大越优先。当优先级相同时，选择更早进入就绪队列的进程。

补充：

①就绪队列未必只能有一个，可以按照不同优先级组织。

②根据优先级是否可以改变，可以分为静态优先级和动态优先级两种，静态优先级的优先数在创建进程时确定，之后不会改变，而动态优先级的进程在创建时有一个优先数的初始值，但之后会根据情况调整。

当使用动态优先级进程时，进程等待了很长时间，或频繁的进行I/O操作，就可以提升其优先级。当进程长时间占用处理机时，可以降低其优先级。

高响应比优先（HRRN）算法，在某种意义上来说，就是一种动态优先级调度算法。

③系统进程优先级高于用户进程，前台进程优先级高于后天进程，操作系统更偏好I/O繁忙型进程（与I/O繁忙型进程相对的是CPU繁忙型进程），因为I/O设备和CPU可以并行工作，如果优先让其运行，则越有可能让I/O设备尽早投入工作。

是否抢占：有抢占式和非抢占式两种版本，非抢占式只需要在进程主动放弃处理机时调度即可，而抢占式需要在每次就绪队列变化时检查是否会发生抢占。

适用场景：进程调度和作业调度，甚至包括I/O调度。

优点：可用优先级灵活区分紧急程度和重要程度，适用于实时操作系统，调度灵活。

缺点：可能会导致低优先级进程饥饿。

是否会导致饥饿：会，如果源源不断的有高优先级作业进入，会导致低优先级的进程饥饿。

 

思考：FCFS算法的有点是公平，SJF算法的优点是平均等待和周转时间小，RR算法能让各个进程得到及时的响应，优先级调度算法可以灵活的调度各种进程，那么能否对上面的算法做一个折中权衡，得到一个综合表现优秀的算法呢？

好消息：算法很优秀    坏消息：全缝了，超级缝合怪

多级反馈队列

多级反馈队列调度算法

算法思想：对其它调度算法的折中权衡

算法规则：1.设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大。（SJF）

                  2.新进程到达时先进入第一级队列，按FCFS原则排队等待被分配时间片，若用完时间                        片以后进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾，若已经在最下级队列，则放回队                       尾。（RR）

                  3.只有k级队列为空时，才会为k+1级队头的进程分配时间片。（优先级）

是否抢占：抢占式，在k级队列的进程运行过程中，若更上级的队列（1~k-1级）进入了新进程，由于新进程的优先级更高，会抢占处理机，原来运行的放回k级队列的队尾。

适用场景：仅用于进程调度

优点：相对公平（FCFS的优点）；每个新到达的进程都可以很快得到响应（RR的优点）；短进程只需要较少的时间就能完成（SJF的优点）；不必估计进程的运行时间，可灵活调整对各类进程的偏好程度。（拓展：可以将因I/O而阻塞的进程放回原队列，而非降级队列，这样可以保证I/O进程的高优先级）

缺点：可能会导致低优先级的进程饥饿。

是否会导致饥饿：会，同SJF，如果源源不断的有短进程到达，高优先的前几级队列一直有进程，较低优先级的进程就会饥饿。

比起早期的批处理操作系统，由于计算机造价大幅降低，交互式操作系统（包括分时操作系统、实时操作系统等）更注重系统的响应时间、公平性、平衡性等指标，而这几种算法能较好的满足交互式系统的需求，比如UNIX使用的就是多级反馈队列调度算法。

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 内容总结自王道计算机考研《操作系统》 和 人民邮电出版社《操作系统导论》