2.2 處理機調度
2.2.1 調度的概念
調度的基本概念
在多道程序系統中，進程的數量往往多於處理機的個數，因此進程爭用處理機的情況在所難免。處理機調度是對於處理機進行分配，即從就緒隊列中按照一定的算法選擇一個進程，並將處理機分配給它運行，以實現進程併發地執行。
處理機調度是多道操作系統的基礎，是操作系統設計的核心問題。
調度的層次
一個作業從提交到完成，要經歷三級調度。
（1）作業調度（高級調度）
其主要任務是按照一定的原則，從外存上處於後備狀態的作業中挑選一個或多個作業，給它們們分配內存、輸入/輸出設備等必要的資源，並建立相應的進程，以使它們獲得競爭處理機的權利。簡言之，作業調度就是內存與輔存之間的調度。
（2）內存調度（中級調度）
其作用是提高內存利用率和系統吞吐量。將那些暫時不能運行的進程調至外存等待，把此時的進程狀態稱爲掛起態；當他們已具備運行條件且內存有空閒時，再由中級調度重新調入內存並修改其狀態爲就緒態，掛在就緒隊列上等待。
（3）進程調度（低級調度）
主要任務是按照某種方法和策略從就緒隊列中選取一個進程，將處理機分配給它。是操作系統中最基本的一種調度。
三級調度的聯繫
如上圖。作業調度從外存的後備隊列中選擇一批作業進入內存，爲它們建立進程，這些進程就被送入就緒隊列；進程調度從就緒隊列中選擇一個進程，並把其狀態改爲運行態，把CPU分配給他；中級調度是爲了提高內存利用率，系統將那些暫時不能運行的進程掛起來，當內存空間寬鬆時，通過中級調度選擇具備運行條件的進程將其喚醒。
1>作業調度爲進程活動做準備，進程調度使進程正常活動起來，中級調度將暫時不能運行的進程掛起，中級調度處於作業調度和進程調度之間。
2>作業調度次數少，中級調度次數略多，進程調度頻率最高。
3>進程調度是最基本的，不可或缺。
2.2.2 進程調度方式
當某個進程正在處理機上執行時，若有某個更爲重要或緊迫的進程需要處理，即有優先權更高的進程進入就緒隊列，此時應該如何分配處理機？
| 非剝奪調度方式（非搶佔方式） | 剝奪調度方式（搶佔方式） |
|---|---|
| 當一個進程正在處理機上執行時，即使有某個更爲重要和緊迫的進程進入就緒隊列，仍然讓正在執行的進程繼續執行，直到該進程執行玩或發生某種事件而進入阻塞態時，才把處理機分配給更爲重要的進程。 | 當一個進程正在處理機上執行時，若有某個更爲重要和緊迫的進程需要使用處理機，則立即暫停正在執行的進程，將處理機分配給這個更爲重要的進程。 |
| 優點是實現簡單系統開銷小，適用於大多數的批處理系統。但不能用於分時系統和大多數的實時系統。 | 對提高系統吞吐率和響應速率都有明顯的好處。 |
2.2.3 調度的基本準則
選擇調度算法時，需要考慮的算法特性：
- CPU利用率
- 系統吞吐量：單位時間內CPU完成的作業數量。
- 週轉時間=作業完成時間-作業提交時間
帶權週轉時間=作業週轉時間/作業實際運行時間 - 等待時間：進程等待處理機的時間。
- 響應時間：從用戶提交請求到系統產生響應的時間。
2.2.4 典型的調度算法
先來先服務（FCFS）調度算法
每次從就緒隊列中選擇最先進入該隊列的進程。將處理機分配給它，使之投入運行，直至完成，或因某種原因而註冊時才釋放處理機。屬於不可剝奪算法。
算法簡單，但效率低，對長作業比較有利，但對短作業不利。有利於cpu繁忙型。作業而不利於IO繁忙型作業。
假設系統中有四個作業，他們的提交時間分別是8，8.4，8.8，9。運行時間依次是2，1，0.5，0.2。系統採用FCFS調度算法：
| 作業號 | 提交時間 | 運行時間 | 開始時間 | 等待時間 | 完成時間 | 週轉時間 | 帶權週轉時間 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 8 | 2 | 8 | 0 | 10 | 2 | 1 |
| 2 | 8.4 | 1 | 10 | 1.6 | 11 | 2.6 | 2.6 |
| 3 | 8.8 | 0.5 | 11 | 2.2 | 11.5 | 2.7 | 5.4 |
| 4 | 9 | 0.2 | 11.5 | 2.5 | 11.7 | 2.7 | 13.5 |
- 平均等待時間：1.575
- 平均週轉時間：2.5
- 平均帶權週轉時間：5.625
短作業優先（SJF）調度算法
短作業優先（SJF）調度算法從後備隊列中選擇一個或若干個估計運行時間最短的作業，將它們調入內存運行。短進程優先(SPF)調度算法從就緒隊列中選擇一個估計運行時間最短的進程。將處理機分配給他，使之立即執行，直至完成或發生某事件而阻塞時，才釋放處理機。
對長作業不利；未完全考慮作業的緊迫程度；SJF調度算法的平均等待時間和平均週轉時間最少。
假設系統中有四個作業，他們的提交時間分別是8，8.4，8.8，9。運行時間依次是2，1，0.5，0.2。系統採用SJF調度算法：
| 作業號 | 提交時間 | 運行時間 | 開始時間 | 等待時間 | 完成時間 | 週轉時間 | 帶權週轉時間 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 8 | 2 | 8 | 0 | 10 | 2 | 1 |
| 2 | 8.4 | 1 | 10.7 | 2.3 | 11.7 | 3.3 | 3.3 |
| 3 | 8.8 | 0.5 | 10.2 | 1.4 | 10.7 | 1.9 | 3.8 |
| 4 | 9 | 0.2 | 10 | 1 | 10.2 | 1.2 | 6 |
- 平均等待時間：1.175
- 平均週轉時間：2.1
- 平均帶權週轉時間：3.525
優先級調度算法
根據新的更高優先級進程能否搶佔正在執行的進程，可分爲：非剝奪式優先級調度算法、剝奪式優先級調度算法。
根據進程創建後優先級能否改變，可分爲：靜態優先級、動態優先級。
優先級設置的參照原則：系統進程>用戶進程、交互型進程>非交互型進程、I/O型進程>計算型進程。
高響應比優先調度算法
主要用於作業調度，同時考慮了每個作業的等待時間和估計運行時間，是對FCFS和SJF的權衡。在每次作業調度中，選擇響應比.最高的作業投入運行。
響應比Rp=（等待時間+要求服務時間）/ 要求服務時間
時間片輪轉調度算法
主要適用於分時系統。系統將所有就緒進程按到達時間的先後次序排成一個隊列，選擇就緒隊列中的第一個進程執行，但僅能執行一個時間片，在使用完一個時間片後，即使進程並未完成其運行，也必須釋放出處理機給下一個就緒的進程，而被剝奪的進程發揮到就緒隊列的末尾，重新排隊，等候再次運行。
應選擇適當的時間片大小。時間片過大：退化爲FDFS。時間片過小：頻繁切換進程，開銷增大。
多級反饋隊列調度算法
是時間片輪轉調度算法和優先級調度算法的綜合與發展。融合了前幾種算法的優點。
