2.10、时间片轮转、优先级调度算法、多级反馈队列调度算法

news2024/9/22 13:29:15

Tips：各种调度算法的学习思路

算法思想
算法规则
这种调度算法是用于作业调度还是进程调度?
抢占式? 非抢占式?
优点和缺点
是否会导致 $\color{red}饥饿$

某进程/作业长期得不到服务

1、时间片轮转（RR, Round-Robin）

1.1、例子

常用于分时操作系统，更注重 “响应时间”，因而此处不计算周转时间

例题：各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用时间片轮转调度算法，计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间。

时间片为 5 的情况

若按照先来先服务调度算法

1.2、时间片太大/小的影响

如果时间片太大，使得每个进程都可以在一个时间片内就完成，

则时间片轮转调度算法退化为先来先服务调度算法，

并且 $\color{red}会增大进程响应时间$ 。

比如：系统中有 10 个进程在并发执行，如果时间片为 1 秒，则一个进程被响应可能需要等 9 秒…
- 也就是说，如果用户在自己进程的时间片外通过键盘发出调试命令，
  
  可能需要等待 9 秒才能被系统响应
- 其实就是时间片太长了，导致后面的进程等待时间也会太长
因此时间片不能太大。

另一方面，进程调度、切换是有时间代价的（保存、恢复运行环境)，

因此如果时间片太小，会导致进程切换过于频繁（不断地频繁切换用户态与内核态），系统会花大量的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。
可见时间片也不能太小。

一般来说，设计时间片时要让切换进程的开销占比不超过 $1\%$

2、优先级调度算法

例题：各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间、进程优先数如下表所示。使用非抢占式的优先级调度算法，分析进程运行情况。（注：优先数越大，优先级越高)

2.1、非抢占式的

.2.2、抢占式的

2.3、静态/动态优先级

就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织。

另外，也可以把优先级高的进程排在更靠近队头的位置

根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级两种。

$\color{red}静态优先级$ ：

创建进程时确定，之后一直不变。

$\color{red}动态优先级$ ：

创建进程时有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级。

如何合理地设置各类进程地优先级？

通常：

系统进程优先级高于用户进程
前台进程优先级高于后台进程
操作系统更偏好 I/O 型进程（或称 I/O 繁忙型进程）

注：与 I/O 型进程相对的是计算型进程（或称 CPU 繁忙型进程）

I/O 设备和 CPU 可以并行工作。如果优先让 I/O 繁忙型进程优先运行的话,

则越有可能让 I/O 设备尽早地投入工作，则资源利用率、系统吞吐量都会得到提升
I/O 花费的时间一般比较长，尽早处理完 I/O

若采用 CPU 繁忙型进程的话，

CPU 优先于 I/O，则 CPU 运行完之后，此时后备队列中没有队列了，需要等待 I/O 设备输入

如果采用的是动态优先级，什么时候应该调整?

可以从追求公平、提升资源利用率等角度考虑

如果某进程在就绪队列中等待了很长时间，则可以适当提升其优先级
如果某进程占用处理机运行了很长时间，则可适当降低其优先级
如果发现一个进程频繁地进行 I/O 操作，则可适当提升其优先级

HRRN 高响应比优先调度算法，可以认为是动态地优先级调度算法

3、多级反馈队列调度算法

FCFS 算法的优点是公平

SJF 算法的优点是能尽快处理完短作业，平均等待/周转时间等参数很优秀

时间片轮转调度算法可以让各个进程得到及时的响应

优先级调度算法可以灵活地调整各种进程被服务的机会

能否对其他算法做个折中权衡? 得到一个综合表现优秀平衡的算法呢?

多级反馈队列调度算法

由于进程源源不断地到来会使得高优先级的队列始终非空，而低优先级的队列需要等待高优先级的队列为空时才能使用，导致低优先级队列中的进程饥饿

4、总结

算法	可抢占？	优点	缺点	会导致饥饿？	补充
时间片轮转	抢占式	公平；适用于分时系统	频繁切换有开销；不区分优先级	不会	时间片太大或太小导致的影响
优先级调度	有的抢占式的，有的非抢占式的	区分优先级；适用于实时系统	可能导致饥饿	会	动态/静态优先级。各类型型进程如何设置优先级？如何调整优先级
多级反馈队列	抢占式	平衡优秀；6（9 翻了）	一般不说它优缺点；不过可能导致饥饿	会