操作系统第二部分进程管理（四）

进程管理（四）

4) 线程与进程的调度:线程与进程的基本概念，调度的类型、调度队列模型、调度方式、进程调度算法（先来先服务、短进程优先、时间片轮转、基于优先级的调度算法等）。

2.6.1　线程的基本概念

1 ．线程的引入
　　如果说，在操作系统中引入进程的目的，是为了使多个程序能并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量，那么，在操作系统中再引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性。为了说明这一点，我们首先来回顾进程的两个基本属性: ① 进程是一个可拥有资源的独立单位；② 进程同时又是一个可独立调度和分派的基本单位。正是由于进程有这两个基本属性，才使之成为一个能独立运行的基本单位，从而也就构成了进程并发执行的基础。然而，为使程序能并发执行，系统还必须进行以下的一系列操作。
　　1) 创建进程
　　系统在创建一个进程时，必须为它分配其所必需的、除处理机以外的所有资源，如内存空间、I/O设备，以及建立相应的PCB。
　　2) 撤消进程　系统在撤消进程时，又必须先对其所占有的资源执行回收操作，然后再撤消PCB。
　　3) 进程切换
　　对进程进行切换时，由于要保留当前进程的CPU环境和设置新选中进程的CPU环境，因而须花费不少的处理机时间。
　　换言之，由于进程是一个资源的拥有者，因而在创建、撤消和切换中，系统必须为之付出较大的时空开销。正因如此，在系统中所设置的进程，其数目不宜过多，进程切换的频率也不宜过高，这也就限制了并发程度的进一步提高。
　　如何能使多个程序更好地并发执行同时又尽量减少系统的开销，已成为近年来设计操作系统时所追求的重要目标。有不少研究操作系统的学者们想到，若能将进程的上述两个属性分开，由操作系统分开处理，亦即对于作为调度和分派的基本单位，不同时作为拥有资源的单位，以做到“轻装上阵”；而对于拥有资源的基本单位，又不对之进行频繁的切换。正是在这种思想的指导下，形成了线程的概念。
　　2 ．线程与进程的比较
　　1) 调度
　　在传统的操作系统中，作为拥有资源的基本单位和独立调度、分派的基本单位都是进程。而在引入线程的操作系统中，则把线程作为调度和分派的基本单位，而进程作为资源拥有的基本单位，把传统进程的两个属性分开，使线程基本上不拥有资源，这样线程便能轻装前进，从而可显著地提高系统的并发程度。在同一进程中，线程的切换不会引起进程的切换，但从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时，将会引起进程的切换。
　　2) 并发性
　　在引入线程的操作系统中，不仅进程之间可以并发执行，而且在一个进程中的多个线程之间亦可并发执行，使得操作系统具有更好的并发性，从而能更加有效地提高系统资源的利用率和系统的吞吐量。例如，在一个未引入线程的单CPU操作系统中，若仅设置一个文件服务进程，当该进程由于某种原因而被阻塞时，便没有其它的文件服务进程来提供服务。在引入线程的操作系统中，则可以在一个文件服务进程中设置多个服务线程。当第一个线程等待时，文件服务进程中的第二个线程可以继续运行，以提供文件服务；当第二个线程阻塞时，则可由第三个继续执行，提供服务。显然，这样的方法可以显著地提高文件服务的质量和系统的吞吐量。
　　3) 拥有资源
　　不论是传统的操作系统，还是引入了线程的操作系统，进程都可以拥有资源，是系统中拥有资源的一个基本单位。一般而言，线程自己不拥有系统资源(也有一点必不可少的资源)，但它可以访问其隶属进程的资源，即一个进程的代码段、数据段及所拥有的系统资源，如已打开的文件、I/O设备等，可以供该进程中的所有线程所共享。
　　4) 系统开销
　　在创建或撤消进程时，系统都要为之创建和回收进程控制块，分配或回收资源，如内存空间和I/O设备等，操作系统所付出的开销明显大于线程创建或撤消时的开销。类似地，在进程切换时，涉及到当前进程CPU环境的保存及新被调度运行进程的CPU环境的设置，而线程的切换则仅需保存和设置少量寄存器内容，不涉及存储器管理方面的操作，所以就切换代价而言，进程也是远高于线程的。此外，由于一个进程中的多个线程具有相同的地址空间，在同步和通信的实现方面线程也比进程容易。在一些操作系统中，线程的切换、同步和通信都无须操作系统内核的干预。
　　3 ．线程的属性
　　在多线程OS中，通常是在一个进程中包括多个线程，每个线程都是作为利用CPU的基本单位，是花费最小开销的实体。线程具有下述属性。
　　(1) 轻型实体。线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必不可少的、能保证其独立运行的资源，比如，在每个线程中都应具有一个用于控制线程运行的线程制块TCB，用于指示被执行指令序列的程序计数器，保留局部变量、少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈。
　　(2) 独立调度和分派的基本单位。在多线程OS中，线程是能独立运行的基本单位，因而也是独立调度和分派的基本单位。由于线程很“轻”，故线程的切换非常迅速且开销小。
　　(3) 可并发执行。在一个进程中的多个线程之间可以并发执行，甚至允许在一个进程中的所有线程都能并发执行；同样，不同进程中的线程也能并发执行。
　　(4) 共享进程资源。在同一进程中的各个线程都可以共享该进程所拥有的资源，这首先表现在所有线程都具有相同的地址空间(进程的地址空间)。这意味着线程可以访问该地址空间中的每一个虚地址；此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量机构等。
　　4 ．线程的状态
　　(1) 状态参数。在OS中的每一个线程都可以利用线程标识符和一组状态参数进行描述。状态参数通常有这样几项：① 寄存器状态，它包括程序计数器PC和堆栈指针中的内容；② 堆栈，在堆栈中通常保存有局部变量和返回地址；③线程运行状态，用于描述线程正处于何种运行状态；④ 优先级，描述线程执行的优先程度；⑤ 线程专有存储器，用于保存线程自己的局部变量拷贝；⑥ 信号屏蔽，即对某些信号加以屏蔽。
　　(2) 线程运行状态。如同传统的进程一样，在各线程之间也存在着共享资源和相互合作的制约关系，致使线程在运行时也具有间断性。相应地，线程在运行时也具有下述三种基本状态: ① 执行状态，表示线程正获得处理机而运行；② 就绪状态，指线程已具备了各种执行条件，一旦获得CPU便可执行的状态；③ 阻塞状态，指线程在执行中因某事件而受阻，处于暂停执行时的状态。
　　5 ．线程的创建和终止
　　在多线程OS环境下，应用程序在启动时，通常仅有一个线程在执行，该线程被人们称为“初始化线程”。它可根据需要再去创建若干个线程。在创建新线程时，需要利用一个线程创建函数(或系统调用)，并提供相应的参数，如指向线程主程序的入口指针、堆栈的大小，以及用于调度的优先级等。在线程创建函数执行完后，将返回一个线程标识符供以后使用。
　　如同进程一样，线程也是具有生命期的。终止线程的方式有两种：一种是在线程完成了自己的工作后自愿退出；另一种是线程在运行中出现错误或由于某种原因而被其它线程强行终止。但有些线程(主要是系统线程)，在它们一旦被建立起来之后，便一直运行下去而不再被终止。在大多数的OS中，线程被中止后并不立即释放它所占有的资源，只有当进程中的其它线程执行了分离函数后，被终止的线程才与资源分离，此时的资源才能被其它线程利用。
　　虽已被终止但尚未释放资源的线程，仍可以被需要它的线程所调用，以使被终止线程重新恢复运行。为此，调用者线程须调用一条被称为“等待线程终止”的连接命令，来与该线程进行连接。如果在一个调用者线程调用“等待线程终止”的连接命令试图与指定线程相连接时，若指定线程尚未被终止，则调用连接命令的线程将会阻塞，直至指定线程被终止后才能实现它与调用者线程的连接并继续执行；若指定线程已被终止，则调用者线程不会被阻塞而是继续执行。
　　6 ．多线程OS 中的进程
　　在多线程OS中，进程是作为拥有系统资源的基本单位，通常的进程都包含多个线程并为它们提供资源，但此时的进程就不再作为一个执行的实体。多线程OS中的进程有以下属性：
　　(1) 作为系统资源分配的单位。在多线程OS中，仍是将进程作为系统资源分配的基本单位，在任一进程中所拥有的资源包括受到分别保护的用户地址空间、用于实现进程间和线程间同步和通信的机制、已打开的文件和已申请到的I/O设备，以及一张由核心进程维护的地址映射表，该表用于实现用户程序的逻辑地址到其内存物理地址的映射。
　　(2) 可包括多个线程。通常，一个进程都含有多个相对独立的线程，其数目可多可少，但至少也要有一个线程，由进程为这些(个)线程提供资源及运行环境，使这些线程可并发执行。在OS中的所有线程都只能属于某一个特定进程。
　　(3) 进程不是一个可执行的实体。在多线程OS中，是把线程作为独立运行的基本单位，所以此时的进程已不再是一个可执行的实体。虽然如此，进程仍具有与执行相关的状态。例如，所谓进程处于“执行”状态，实际上是指该进程中的某线程正在执行。此外，对进程所施加的与进程状态有关的操作，也对其线程起作用。例如，在把某个进程挂起时，该进程中的所有线程也都将被挂起；又如，在把某进程激活时，属于该进程的所有线程也都将被激活

3.1 　处理机调度的层次

3.1.1　高级调度

1．作业和作业步
　　(1) 作业(Job)。作业是一个比程序更为广泛的概念，它不仅包含了通常的程序和数据，而且还应配有一份作业说明书，系统根据该说明书来对程序的运行进行控制。在批处理系统中，是以作业为基本单位从外存调入内存的。
　　(2) 作业步(Job Step)。通常，在作业运行期间，每个作业都必须经过若干个相对独立，又相互关联的顺序加工步骤才能得到结果，我们把其中的每一个加工步骤称为一个作业步，各作业步之间存在着相互联系，往往是把上一个作业步的输出作为下一个作业步的输入。例如，一个典型的作业可分成三个作业步：① “编译”作业步，通过执行编译程序对源程序进行编译，产生若干个目标程序段；② “连结装配”作业步，将“编译”作业步所产生的若干个目标程序段装配成可执行的目标程序；③ “运行”作业步，将可执行的目标程序读入内存并控制其运行。
　　(3) 作业流。若干个作业进入系统后，被依次存放在外存上，这便形成了输入的作业流；在操作系统的控制下，逐个作业进行处理，于是便形成了处理作业流。
　　2．作业控制块JCB(Job Control Block)
　　为了管理和调度作业，在多道批处理系统中为每个作业设置了一个作业控制块，如同进程控制块是进程在系统中存在的标志一样，它是作业在系统中存在的标志，其中保存了系统对作业进行管理和调度所需的全部信息。在JCB中所包含的内容因系统而异，通常应包含的内容有：作业标识、用户名称、用户帐户、作业类型(CPU 繁忙型、I/O 繁忙型、批量型、终端型)、作业状态、调度信息(优先级、作业已运行时间)、资源需求(预计运行时间、要求内存大小、要求I/O设备的类型和数量等)、进入系统时间、开始处理时间、作业完成时间、作业退出时间、资源使用情况等。
　　每当作业进入系统时，系统便为每个作业建立一个JCB，根据作业类型将它插入相应的后备队列中。作业调度程序依据一定的调度算法来调度它们，被调度到的作业将会装入内存。在作业运行期间，系统就按照JCB中的信息对作业进行控制。当一个作业执行结束进入完成状态时，系统负责回收分配给它的资源，撤消它的作业控制块。
　　3．作业调度
　　作业调度的主要功能是根据作业控制块中的信息，审查系统能否满足用户作业的资源需求，以及按照一定的算法，从外存的后备队列中选取某些作业调入内存，并为它们创建进程、分配必要的资源。然后再将新创建的进程插入就绪队列，准备执行。因此，有时也把作业调度称为接纳调度(Admission Scheduling)。
　　对用户而言，总希望自己作业的周转时间尽可能的少，最好周转时间就等于作业的执行时间。然而对系统来说，则希望作业的平均周转时间尽可能少，有利于提高CPU 的利用率和系统的吞吐量。为此，每个系统在选择作业调度算法时，既应考虑用户的要求，又能确保系统具有较高的效率。在每次执行作业调度时，都须做出以下两个决定。
　　1) 决定接纳多少个作业
　　作业调度每次要接纳多少个作业进入内存，取决于多道程序度(Degree of Multiprogramming)，即允许多少个作业同时在内存中运行。当内存中同时运行的作业数目太多时，可能会影响到系统的服务质量，比如，使周转时间太长。但如果在内存中同时运行作业的数量太少时，又会导致系统的资源利用率和系统吞吐量太低，因此，多道程序度的确定应根据系统的规模和运行速度等情况做适当的折衷。
　　2) 决定接纳哪些作业
　　应将哪些作业从外存调入内存，这将取决于所采用的调度算法。最简单的是先来先服务调度算法，这是指将最早进入外存的作业最先调入内存；较常用的一种算法是短作业优先调度算法，是将外存上最短的作业最先调入内存；另一种较常用的是基于作业优先级的调度算法，该算法是将外存上优先级最高的作业优先调入内存；比较好的一种算法是“响应比高者优先”的调度算法。我们将在后面对上述几种算法作较为详细的介绍。
　　在批处理系统中，作业进入系统后，总是先驻留在外存的后备队列上，因此需要有作业调度的过程，以便将它们分批地装入内存。然而在分时系统中，为了做到及时响应，用户通过键盘输入的命令或数据等都是被直接送入内存的，因而无需再配置上述的作业调度机制，但也需要有某些限制性措施来限制进入系统的用户数。即，如果系统尚未饱和，将接纳所有授权用户，否则，将拒绝接纳。类似地，在实时系统中通常也不需要作业调度。

3.1.2 低级调度

通常也把低级调度(Low Level Scheduling)称为进程调度或短程调度(ShortTerm Scheduling)，它所调度的对象是进程(或内核级线程)。进程调度是最基本的一种调度，在多道批处理、分时和实时三种类型的OS中，都必须配置这级调度。
　　 1．低级调度的功能
　　低级调度用于决定就绪队列中的哪个进程(或内核级线程，为叙述方便，以后只写进程)应获得处理机，然后再由分派程序执行把处理机分配给该进程的具体操作。
　　低级调度的主要功能如下：
　　(1) 保存处理机的现场信息。在进程调度进行调度时，首先需要保存当前进程的处理机的现场信息，如程序计数器、多个通用寄存器中的内容等，将它们送入该进程的进程控制块(PCB)中的相应单元。
　　(2) 按某种算法选取进程。低级调度程序按某种算法如优先数算法、轮转法等，从就绪队列中选取一个进程，把它的状态改为运行状态，并准备把处理机分配给它。
　　(3) 把处理器分配给进程。由分派程序(Dispatcher)把处理器分配给进程。此时需为选中的进程恢复处理机现场，即把选中进程的进程控制块内有关处理机现场的信息装入处理器相应的各个寄存器中，把处理器的控制权交给该进程，让它从取出的断点处开始继续运行。
　　2．进程调度中的三个基本机制
　　为了实现进程调度，应具有如下三个基本机制：
　　(1) 排队器。为了提高进程调度的效率，应事先将系统中所有的就绪进程按照一定的方式排成一个或多个队列，以便调度程序能最快地找到它。
　　(2) 分派器(分派程序)。分派器把由进程调度程序所选定的进程，从就绪队列中取出该进程，然后进行上下文切换，将处理机分配给它
　　(3) 上下文切换机制。当对处理机进行切换时，会发生两对上下文切换操作。在第一对上下文切换时，操作系统将保存当前进程的上下文，而装入分派程序的上下文，以便分派程序运行；在第二对上下文切换时，将移出分派程序，而把新选进程的CPU现场信息装入到处理机的各个相应寄存器中。
　　应当指出，上下文切换将花去不少的处理机时间，即使是现代计算机，每一次上下文切换大约需要花费几毫秒的时间，该时间大约可执行上千条指令。为此，现在已有通过硬件(采用两组或多组寄存器)的方法来减少上下文切换的时间。一组寄存器供处理机在系统态时使用，另一组寄存器供应用程序使用。在这种条件下的上下文切换只需改变指针，使其指向当前寄存器组即可。
　　3．进程调度方式
　　进程调度可采用下述两种调度方式。
　　1) 非抢占方式(Nonpreemptive Mode)
　　在采用这种调度方式时，一旦把处理机分配给某进程后，不管它要运行多长时间，都一直让它运行下去，决不会因为时钟中断等原因而抢占正在运行进程的处理机，也不允许其它进程抢占已经分配给它的处理机。直至该进程完成，自愿释放处理机，或发生某事件而被阻塞时，才再把处理机分配给其他进程。
　　在采用非抢占调度方式时，可能引起进程调度的因素可归结为如下几个：
　　(1) 正在执行的进程执行完毕，或因发生某事件而不能再继续执行；
　　(2) 执行中的进程因提出I/O请求而暂停执行；
　　(3) 在进程通信或同步过程中执行了某种原语操作，如P操作(wait操作)、Block原语、Wakeup原语等。
　　这种调度方式的优点是实现简单，系统开销小，适用于大多数的批处理系统环境。但它难以满足紧急任务的要求——立即执行，因而可能造成难以预料的后果。显然，在要求比较严格的实时系统中，不宜采用这种调度方式。
　　　2) 抢占方式(Preemptive Mode)
　　这种调度方式允许调度程序根据某种原则去暂停某个正在执行的进程，将已分配给该进程的处理机重新分配给另一进程。抢占方式的优点是，可以防止一个长进程长时间占用处理机，能为大多数进程提供更公平的服务，特别是能满足对响应时间有着较严格要求的实时任务的需求。但抢占方式比非抢占方式调度所需付出的开销较大。抢占调度方式是基于一定原则的，主要有如下几条：
　　(1) 优先权原则。通常是对一些重要的和紧急的作业赋予较高的优先权。当这种作业到达时，如果其优先权比正在执行进程的优先权高，便停止正在执行(当前)的进程，将处理机分配给优先权高的新到的进程，使之执行；或者说，允许优先权高的新到进程抢占当前进程的处理机。
　　(2) 短作业(进程)优先原则。当新到达的作业(进程)比正在执行的作业(进程)明显的短时，将暂停当前长作业(进程)的执行，将处理机分配给新到的短作业(进程)，使之优先执行；或者说，短作业(进程)可以抢占当前较长作业(进程)的处理机。
　　(3) 时间片原则。各进程按时间片轮流运行，当一个时间片用完后，便停止该进程的执行而重新进行调度。这种原则适用于分时系统、大多数的实时系统，以及要求较高的批处理系统。

3.1.3 中级调度

中级调度(Intermediate Level Scheduling)又称中程调度(Medium-Term Scheduling)。引入中级调度的主要目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。为此，应使那些暂时不能运
行的进程不再占用宝贵的内存资源，而将它们调至外存上去等待，把此时的进程状态称为就绪驻外存状态或挂起状态。当这些进程重又具备运行条件且内存又稍有空闲时，由中级调度来决定把外存上的那些又具备运行条件的就绪进程重新调入内存，并修改其状态为就绪状态，挂在就绪队列上等待进程调度。中级调度实际上就是存储器管理中的对换功能，我们将在第四章中做详细阐述。

在上述三种调度中，进程调度的运行频率最高，在分时系统中通常是10～100 ms便进行一次进程调度，因此把它称为短程调度。为避免进程调度占用太多的CPU时间，进程调度算法不宜太复杂。作业调度往往是发生在一个(批)作业运行完毕，退出系统，而需要重新调入一个(批)作业进入内存时，故作业调度的周期较长，大约几分钟一次，因此把它称为长程调度。由于其运行频率较低，故允许作业调度算法花费较多的时间。中级调度的运行频率基本上介于上述两种调度之间，因此把它称为中程调度。

3.2 调度队列模型和调度准则

3.2.1　调度队列模型

1．仅有进程调度的调度队列模型
　　在分时系统中，通常仅设置了进程调度，用户键入的命令和数据都直接送入内存。对于命令，是由OS为之建立一个进程。系统可以把处于就绪状态的进程组织成栈、树或一个无序链表，至于到底采用其中哪种形式，则与OS类型和所采用的调度算法有关。例如，在分时系统中，常把就绪进程组织成FIFO队列形式。每当OS创建一个新进程时，便将它挂在就绪队列的末尾，然后按时间片轮转方式运行。
　　每个进程在执行时都可能出现以下三种情况：
　　(1) 任务在给定的时间片内已经完成，该进程便在释放处理机后进入完成状态；
　　(2) 任务在本次分得的时间片内尚未完成，OS便将该任务再放入就绪队列的末尾；
　　(3) 在执行期间，进程因为某事件而被阻塞后，被OS放入阻塞队列。
　　图3-1示出了仅具有进程调度的调度队列模型。
　　
　　2．具有高级和低级调度的调度队列模型
　　在批处理系统中，不仅需要进程调度，而且还需有作业调度，由后者按一定的作业调度算法，从外存的后备队列中选择一批作业调入内存，并为它们建立进程，送入就绪队列，然后才由进程调度按照一定的进程调度算法选择一个进程，把处理机分配给该进程。图3-2示出了具有高、低两级调度的调度队列模型。该模型与上一模型的主要区别在于如下两个方面。
　　(1) 就绪队列的形式。在批处理系统中，最常用的是最高优先权优先调度算法，相应地，最常用的就绪队列形式是优先权队列。进程在进入优先级队列时，根据其优先权的高低，被插入具有相应优先权的位置上，这样，调度程序总是把处理机分配给就绪队列中的队首进程。在最高优先权优先的调度算法中，也可采用无序链表方式，即每次把新到的进程挂在链尾，而调度程序每次调度时，是依次比较该链中各进程的优先权，从中找出优先权最高的进程，将之从链中摘下，并把处理机分配给它。显然，无序链表方式与优先权队列相比，这种方式的调度效率较低。

(2) 设置多个阻塞队列。对于小型系统，可以只设置一个阻塞队列；但当系统较大时，若仍只有一个阻塞队列，其长度必然会很长，队列中的进程数可以达到数百个，这将严重影响对阻塞队列操作的效率。故在大、中型系统中通常都设置了若干个阻塞队列，每个队列对应于某一种进程阻塞事件。

3．同时具有三级调度的调度队列模型
　　当在OS中引入中级调度后，人们可把进程的就绪状态分为内存就绪(表示进程在内存中就绪)和外存就绪(进程在外存中就绪)。类似地，也可把阻塞状态进一步分成内存阻塞和外存阻塞两种状态。在调出操作的作用下，可使进程状态由内存就绪转为外存就绪，由内存阻塞转为外存阻塞；在中级调度的作用下，又可使外存就绪转为内存就绪。图3-3示出了具有三级调度的调度队列模型。

3.3 　调度算法

3.2.1　先来先服务和短作业(进程)优先调度算法

1．先来先服务调度算法
　　先来先服务(FCFS)调度算法是一种最简单的调度算法，该算法既可用于作业调度也可用于进程调度。当在作业调度中采用该算法时，每次调度都是从后备作业队列中选择一个或多个最先进入该队列的作业，将它们调入内存，为它们分配资源、创建进程，然后放入就绪队列。在进程调度中采用FCFS算法时，则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。
　　FCFS算法比较有利于长作业(进程)，而不利于短作业(进程)。下表列出了A、B、C、D四个作业分别到达系统的时间、要求服务的时间、开始执行的时间及各自的完成时间，并计算出各自的周转时间和带权周转时间。
　从表上可以看出，其中短作业C的带权周转时间竞高达100，这是不能容忍的；而长作业D的带权周转时间仅为1.99。据此可知，FCFS调度算法有利于CPU繁忙型的作业，而不利于I/O繁忙型的作业(进程)。CPU繁忙型作业是指该类作业需要大量的CPU时间进行计算，而很少请求I/O。通常的科学计算便属于CPU繁忙型作业。I/O繁忙型作业是指CPU进行处理时需频繁地请求I/O。目前的大多数事务处理都属于I/O繁忙型作业。

在此，我们通过一个例子来说明采用FCFS调度算法时的调度性能。图3-4(a)示出有五个进程A、B、C、D、E，它们到达的时间分别是0、1、2、3和4，所要求的服务时间分别是4、3、5、2和4，其完成时间分别是4、7、12、14和18。从每个进程的完成时间中减去其到达时间，即得到其周转时间，进而可以算出每个进程的带权周转时间。

2．短作业(进程)优先调度算法
　　短作业(进程)优先调度算法SJ§F，是指对短作业或短进程优先调度的算法。它们可以分别用于作业调度和进程调度。短作业优先(SJF)的调度算法是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运行。而短进程优先(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。
　　为了和FCFS调度算法进行比较，我们仍利用FCFS算法中所使用的实例，并改用SJ§F算法重新调度，再进行性能分析。由图3-4 中的(a)和(b)可以看出，采用SJ§F算法后，不论是平均周转时间还是平均带权周转时间，都有较明显的改善，尤其是对短作业D，其周转时间由原来的(用FCFS算法时)11降为3；而平均带权周转时间是从5.5降到1.5。这说明SJF调度算法能有效地降低作业的平均等待时间，提高系统吞吐量。
　　
　　SJ§F调度算法也存在不容忽视的缺点：
　　(1) 该算法对长作业不利，如作业C的周转时间由10增至16，其带权周转时间由2增至3.1。更严重的是，如果有一长作业(进程)进入系统的后备队列(就绪队列)，由于调度程序总是优先调度那些(即使是后进来的)短作业(进程)，将导致长作业(进程)长期不被调度。
　　(2) 该算法完全未考虑作业的紧迫程度，因而不能保证紧迫性作业(进程)会被及时处理。
　　(3) 由于作业(进程)的长短只是根据用户所提供的估计执行时间而定的，而用户又可能会有意或无意地缩短其作业的估计运行时间，致使该算法不一定能真正做到短作业优先调度。

3.3.2　高优先权优先调度算法

1．优先权调度算法的类型
　　为了照顾紧迫型作业，使之在进入系统后便获得优先处理，引入了最高优先权优先(FPF)调度算法。此算法常被用于批处理系统中，作为作业调度算法，也作为多种操作系统中的进程调度算法，还可用于实时系统中。当把该算法用于作业调度时，系统将从后备队列中选择若干个优先权最高的作业装入内存。当用于进程调度时，该算法是把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程，这时，又可进一步把该算法分成如下两种。
　　1) 非抢占式优先权算法
　　在这种方式下，系统一旦把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程后，该进程便一直执行下去，直至完成；或因发生某事件使该进程放弃处理机时，系统方可再将处理机重新分配给另一优先权最高的进程。这种调度算法主要用于批处理系统中；也可用于某些对实时性要求不严的实时系统中。
　　2) 抢占式优先权调度算法
　　在这种方式下，系统同样是把处理机分配给优先权最高的进程，使之执行。但在其执行期间，只要又出现了另一个其优先权更高的进程，进程调度程序就立即停止当前进程(原优先权最高的进程)的执行，重新将处理机分配给新到的优先权最高的进程。因此，在采用这种调度算法时，是每当系统中出现一个新的就绪进程i时，就将其优先权P i 与正在执行的进程j的优先权P j 进行比较。如果P i ≤P j ，原进程Pj便继续执行；但如果是P i >P j ，则立即停止P j 的执行，做进程切换，使i进程投入执行。显然，这种抢占式的优先权调度算法能更好地满足紧迫作业的要求，故而常用于要求比较严格的实时系统中，以及对性能要求较高的批处理和分时系统中。
　　2．优先权的类型
　　对于最高优先权优先调度算法，其关键在于：它是使用静态优先权，还是用动态优先权，以及如何确定进程的优先权。
　　1) 静态优先权
　　静态优先权是在创建进程时确定的，且在进程的整个运行期间保持不变。一般地，优先权是利用某一范围内的一个整数来表示的，例如，0～7或0～255中的某一整数，又把该整数称为优先数，只是具体用法各异：有的系统用“0”表示最高优先权，当数值愈大时，其优先权愈低；而有的系统恰恰相反。
　　确定进程优先权的依据有如下三个方面：
　　(1) 进程类型。通常，系统进程(如接收进程、对换进程、磁盘I/O进程)的优先权高于一般用户进程的优先权。
　　(2) 进程对资源的需求。如进程的估计执行时间及内存需要量的多少，对这些要求少的进程应赋予较高的优先权。
　　(3) 用户要求。这是由用户进程的紧迫程度及用户所付费用的多少来确定优先权的。
　　静态优先权法简单易行，系统开销小，但不够精确，很可能出现优先权低的作业(进程)长期没有被调度的情况。因此，仅在要求不高的系统中才使用静态优先权。
　　　2) 动态优先权
　　动态优先权是指在创建进程时所赋予的优先权，是可以随进程的推进或随其等待时间的增加而改变的，以便获得更好的调度性能。例如，我们可以规定，在就绪队列中的进程，随其等待时间的增长，其优先权以速率a提高。若所有的进程都具有相同的优先权初值，则显然是最先进入就绪队列的进程将因其动态优先权变得最高而优先获得处理机，此即FCFS算法。若所有的就绪进程具有各不相同的优先权初值，那么，对于优先权初值低的进程，在等待了足够的时间后，其优先权便可能升为最高，从而可以获得处理机。当采用抢占式优先权调度算法时，如果再规定当前进程的优先权以速率b下降，则可防止一个长作业长期地垄断处理机。
　　3．高响应比优先调度算法
　　在批处理系统中，短作业优先算法是一种比较好的算法，其主要的不足之处是长作业的运行得不到保证。如果我们能为每个作业引入前面所述的动态优先权，并使作业的优先级随着等待时间的增加而以速率a提高，则长作业在等待一定的时间后，必然有机会分配到处理机。该优先权的变化规律可描述为：
　　
　　由于等待时间与服务时间之和就是系统对该作业的响应时间，故该优先权又相当于响应比R P 。据此，又可表示为：
　　
　　由上式可以看出：
　　(1) 如果作业的等待时间相同，则要求服务的时间愈短，其优先权愈高，因而该算法有利于短作业。
　　(2) 当要求服务的时间相同时，作业的优先权决定于其等待时间，等待时间愈长，其优先权愈高，因而它实现的是先来先服务。
　　(3) 对于长作业，作业的优先级可以随等待时间的增加而提高，当其等待时间足够长时，其优先级便可升到很高，从而也可获得处理机。
　　简言之，该算法既照顾了短作业，又考虑了作业到达的先后次序，不会使长作业长期得不到服务。因此，该算法实现了一种较好的折衷。当然，在利用该算法时，每要进行调度之前，都须先做响应比的计算，这会增加系统开销。

3.3.3　基于时间片的轮转调度算法

1．时间片轮转法
　　1) 基本原理
　　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。
　　2) 时间片大小的确定
　　在时间片轮转算法中，时间片的大小对系统性能有很大的影响，如选择很小的时间片将有利于短作业，因为它能较快地完成，但会频繁地发生中断、进程上下文的切换，从而增加系统的开销；反之，如选择太长的时间片，使得每个进程都能在一个时间片内完成，时间片轮转算法便退化为FCFS算法，无法满足交互式用户的需求。一个较为可取的大小是，时间片略大于一次典型的交互所需要的时间。这样可使大多数进程在一个时间片内完成。
　　图3-5示出了时间片分别为q=1和q=4时，A、B、C、D、E五个进程的运行情况，而图3-6为q=1和q=4时各进程的平均周转时间和带权平均周转时间。图中的RR(Round Robin)表示轮转调度算法。

2．多级反馈队列调度算法
　　(1) 应设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同，在优先权愈高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就愈小。例如，第二个队列的时间片要比第一个队列的时间片长一倍，……，第i+1个队列的时间片要比第i个队列的时间片长一倍。图3-7是多级反馈队列算法的示意。
　　
　　(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队列中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。
　　　3．多级反馈队列调度算法的性能
　　多级反馈队列调度算法具有较好的性能，能很好地满足各种类型用户的需要。
　　(1) 终端型作业用户。由于终端型作业用户所提交的作业大多属于交互型作业，作业通常较小，系统只要能使这些作业(进程)在第一队列所规定的时间片内完成，便可使终端型作业用户都感到满意。
　　(2) 短批处理作业用户。对于很短的批处理型作业，开始时像终端型作业一样，如果仅在第一队列中执行一个时间片即可完成，便可获得与终端型作业一样的响应时间。对于稍长的作业，通常也只需在第二队列和第三队列各执行一个时间片即可完成，其周转时间仍然较短。
　　(3) 长批处理作业用户。对于长作业，它将依次在第1，2，…，n个队列中运行，然后再按轮转方式运行，用户不必担心其作业长期得不到处理。