操作系统中的任务调度算法

news2025/2/12 15:07:19

一、引言

在操作系统中，任务调度算法是核心组件之一，它负责合理分配有限的 CPU 资源，以确保系统的高效运行和良好的用户体验。任务调度的目标是实现公平性、最小化等待时间、提高系统吞吐量，并最大化 CPU 的利用率。不同的任务调度算法适用于不同的应用场景，操作系统根据系统负载和任务的特性选择最合适的调度策略。

本文将介绍几种常见的任务调度算法，分析其优缺点，并通过具体示例展示各算法的调度效果。

二、常见任务调度算法

2.1 先来先服务（FCFS，First Come, First Served）

原理

先来先服务（FCFS）是最简单的任务调度算法，按照任务进入就绪队列的顺序进行调度。先到的任务先执行，直到任务完成或者因为 I/O 操作阻塞时，才会调度下一个任务。

优点

算法实现简单，易于理解。
对于长任务来说，不会发生饥饿现象。

缺点

对于短任务不够友好，长任务可能会导致短任务等待时间过长，导致系统的平均周转时间增加。
系统整体吞吐量较低，尤其在任务长度差异较大的情况下。

示例

假设系统有三个任务 T1、T2、T3，它们的到达时间和执行时间分别为：T1（到达时间 0，执行时间 15）、T2（到达时间 3，执行时间 5）、T3（到达时间 6，执行时间 7）。按照 FCFS 算法进行调度：

T1 先到达，开始执行，执行完毕时间为 15。
然后 T2 执行，执行完毕时间为 20。
最后 T3 执行，执行完毕时间为 27。

任务	到达时间	执行时间	完成时间	周转时间（完成时间 - 到达时间）	等待时间（周转时间 - 执行时间）
T1	0	15	15	15	0
T2	3	5	20	17	12
T3	6	7	27	21	14

平均周转时间 = (15 + 17 + 21) / 3 = 17.67
平均等待时间 = (0 + 12 + 14) / 3 = 8.67

2.2 短作业优先（SJF，Shortest Job First）

原理

短作业优先（SJF）算法会选择预计执行时间最短的任务优先执行。若多个任务预计执行时间相同，则按照到达时间顺序执行。

优点

有效减少了平均周转时间，特别适用于短任务较多的系统。
提高了系统的吞吐量。

缺点

难以准确预测每个任务的执行时间，因此在实际应用中存在一定的不确定性。
可能导致长任务饥饿，因为短任务会不断占用 CPU，长任务可能长时间得不到执行机会。

示例

假设系统有三个任务 T1、T2、T3，它们的到达时间和执行时间分别为：T1（到达时间 0，执行时间 10）、T2（到达时间 1，执行时间 2）、T3（到达时间 4，执行时间 5）。按照 SJF 算法调度，执行顺序如下：

T2 执行（执行时间最短），执行完时间为 3。
然后 T3 执行，执行完时间为 8。
最后 T1 执行，执行完时间为 18。

任务	到达时间	执行时间	完成时间	周转时间（完成时间 - 到达时间）	等待时间（周转时间 - 执行时间）
T2	1	2	3	2	0
T3	4	5	8	4	-1
T1	0	10	18	18	8

平均周转时间 = (2 + 4 + 18) / 3 = 8
平均等待时间 = (0 + -1 + 8) / 3 = 2.33

2.3 时间片轮转（RR，Round Robin）

原理

时间片轮转（RR）将 CPU 时间划分为固定大小的时间片，每个任务轮流执行一个时间片。当一个任务的时间片用完时，即使任务未完成，也会被暂停，重新排到队列的末尾，等待下一轮调度。

优点

每个任务都能得到及时的响应，适用于交互式系统。
保证系统中的每个任务都有公平的机会获得 CPU 时间。

缺点

如果时间片过长，可能退化为 FCFS 算法，失去轮转的优势。
如果时间片过短，会增加上下文切换的开销，导致系统效率降低。

示例

假设时间片为 4 个时间单位，三个任务的到达时间和执行时间分别为：T1（到达时间 0，执行时间 6）、T2（到达时间 2，执行时间 4）、T3（到达时间 4，执行时间 8）。根据 RR 算法调度，执行顺序如下：

T1 执行 4 个时间单位，剩余执行时间为 2，排队等候。
T2 执行 4 个时间单位，执行完毕。
T3 执行 4 个时间单位，剩余执行时间为 4，排队等候。
T1 执行剩余 2 个时间单位，执行完毕。
T3 执行剩余 4 个时间单位，执行完毕。

任务	到达时间	执行时间	完成时间	周转时间（完成时间 - 到达时间）	等待时间（周转时间 - 执行时间）
T1	0	6	12	12	6
T2	2	4	6	4	0
T3	4	8	20	16	8

平均周转时间 = (12 + 4 + 16) / 3 = 10.67
平均等待时间 = (6 + 0 + 8) / 3 = 4.67

2.4 优先级调度（Priority Scheduling）

原理

优先级调度根据任务的优先级来决定调度顺序，优先级高的任务优先获得 CPU 资源。优先级可以是静态的（在任务创建时设定）或动态的（根据任务执行的情况调整）。

优点

可以根据任务的重要程度或紧急程度进行调度，提高响应能力。
对于重要任务，能够优先处理，提高系统的整体性能。

缺点

如果不加以控制，低优先级任务可能会长时间得不到执行，导致饥饿现象。

示例

假设有任务 T1（优先级 2，执行时间 5）、T2（优先级 1，执行时间 3）、T3（优先级 3，执行时间 4）。根据优先级调度，执行顺序如下：

T3 优先级最高，先执行，执行完时间为 4。
然后 T1 执行，执行完时间为 9。
最后 T2 执行，执行完时间为 12。
任务到达时间执行时间完成时间周转时间（完成时间 - 到达时间）等待时间（周转时间 - 执行时间）
T3 0 4 4 4 0
T1 1 5 9 8 3
T2 2 3 12 10 7
平均周转时间 = (4 + 8 + 10) / 3 = 7.33
平均等待时间 = (0 + 3 + 7) / 3 = 3.33