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操作系统中的进程调度算法有哪些?

2019-07-03  汉无为

调度程序是操作系统内核的组成部分,它负责选择下一个要运行的进程。所以调度策略就决定了这个操作系统的是非实时还是实时的操作系统。当今操作系统的种类繁多,但进程调度算法可以总结为一下几种。

先来先服务调度算法(FCFS)

先来先服务的调度策略非常的简单。维护一个就绪队列,每次调度是从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程,为之分配处理机,使之投入运行。该进程一直运行到完成或发生某事件而阻塞后才放弃处理机。

短进程优先调度算法(SPF)

短进程优先(SPF)调度算法则是从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程,将处理机分配给它,使它立即执行并一直执行到完成,或发生某事件而被阻塞放弃处理机时再重新调度。

高优先权优先调度算法

为了照顾紧迫型的进程,能让这些进程得到优先的运行,所以引入了优先权优先调度算法。这种调度算法可以用在实时操作系统上。当进程调度发生时,该算法把处理机分配给就绪队列中优先级最高的进程。

该算法有两种类型:

  1. 非抢占式优先权算法:在这种模式下,系统一旦把处理机分配给了就绪队列中某个优先级最高的进程,这个进程就会一直运行下去,直到进程结束;或者是主动放弃处理机,系统才会将处理机分配给另一个优先级最高的进程。这种算法可用于某些对实时性要求不高的操作系统中。

  2. 抢占式优先权调度算法:在这种模式下,系统同样是把处理机分配给优先级最高进程,然后运行。但是如果在运行期间,就绪队列中出现了优先级更高的进程,系统就会立即停止当前运行的进程,重新将处理机分配给新加入的优先级更高的进程。所以在这种模式下,可以更好的满足实时性的要求,故常用在实时性要求高的系统中。

想象下高优先进程由于因资源缺乏而处于受阻状态,一直等到低优先级进程释放资源为止。而低优先级获得的CPU时间少,如果此时有优先级处于两者之间的任务,并且不需要那个共享资源,则该中优先级的进程反而超过这两个进程而获得CPU时间。如果高优先级等待资源时不是阻塞等待,而是忙循环,则可能永远无法获得资源,因为此时低优先级进程无法与高优先级进程争夺CPU时间,从而无法执行,进而无法释放资源,造成的后果就是高优先级进程无法获得资源而继续推进。我们把这种现象称之为:优先级翻转

怎么解决上述问题呢?

有三种方法:

  1. 设置优先级上限,给临界区一个高优先级,进入临界区的进程都将获得这个高优先级,如果其他试图进入临界区的进程的优先级都低于这个高优先级,那么优先级反转就不会发生。

  2. 优先级继承,当一个高优先级进程等待一个低优先级进程持有的资源时,低优先级进程将暂时获得高优先级进程的优先级别,在释放共享资源后,低优先级进程回到原来的优先级别。嵌入式系统VxWorks就是采用这种策略。

  3. 第三种方法就是临界区禁止中断,通过禁止中断来保护临界区,采用此种策略的系统只有两种优先级:可抢占优先级和中断禁止优先级。前者为一般进程运行时的优先级,后者为运行于临界区的优先级。火星探路者正是由于在临界区中运行的气象任务被中断发生的通信任务所抢占才导致故障,如果有临界区的禁止中断保护,此一问题也不会发生

高响应比优先调度算法

在CPU密集型系统中,短进程优先级算法是比较好的一种算法。但是长进程的运行时得不到确定保证的。该怎么解决这个问题呢?我们是不是可以引入一种动态优先级,用大白话说等待的时间越长,优先级就会变得越高。所以,等待了一段时间之后,就会一定轮到运行的。但是其中的这个动态计算优先级的算法是需要消耗CPU资源的

时间片轮转

在早期的时间片轮转法中,系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则排成一个队列,每次调度时,把CPU 分配给队首进程,并令其执行一个时间片。时间片的大小从几ms 到几百ms。当执行的时间片用完时,由一个计时器发出时钟中断请求,调度程序便据此信号来停止该进程的执行,并将它送往就绪队列的末尾;然后,再把处理机分配给就绪队列中新的队首进程,同时也让它执行一个时间片。这样就可以保证就绪队列中的所有进程在一给定的时间内均能获得一时间片的处理机执行时间。换言之,系统能在给定的时间内响应所有用户的请求。

多级反馈队列调度算法

我们之前讲的调度算法都有一定的局限性。如短进程优先调度算法,仅照顾了短进程,而忽略了长进程。而多级反馈队列调度算法,是一种均衡的,能够满足各类进程的需要。所以是目前比较好的进程调度算法。

  1. 设置多个就绪队列,并且每个队列的优先等级不一样。第一队列优先级最高,第二队列优先级次之,以此类推。优先级越高队列,时间片就最短。

  2. 当一个新进程进入内存后,首先将它放入第一队列的末尾,按FCFS原则排队等待调度。当轮到该进程执行时,如它能在该时间片内完成,便可准备撤离系统;如果它在一个时间片结束时尚未完成,调度程序便将该进程转入第二队列的末尾,再同样地按FCFS原则等待调度执行;如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成,再依次将它放入第三队列,……,如此下去,当一个长作业(进程)从第一队列依次降到第n队列后,在第n 队列便采取按时间片轮转的方式运行。

  3. 仅当第一队列空闲时,调度程序才调度第二队列中的进程运行;仅当第1~(i-1)队列均空时,才会调度第i队列中的进程运行。如果处理机正在第i队列中为某进程服务时,又有新进程进入优先权较高的队列(第1~(i-1)中的任何一个队列),则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机,即由调度程序把正在运行的进程放回到第i队列的末尾,把处理机分配给新到的高优先权进程。如下图:

参考

https://blog.csdn.net/qq_35642036/article/details/82809812,源理君参考了这篇文章。

总结

本文讲了几种进程调度算法,希望对进程调度算法有兴趣的朋友们,有所帮助。当然还有本文没有谈到的调度算法,如:彩票调度,单比率调度等等。

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