3.1处理机调度的层次和调度算法

先行知识

处理机调度的主要目标
- 充分有效地利用处理机（CPU）资源
处理机调度的对象
- 作业、进程
作业与进程的关系
- 作业是任务实体，如：一次计算，一个控制过程
- 进程是执行实体，是系统分配资源的基本单位
- 一个作业由一个以上进程组成

1、处理机调度的层次

⑴高级调度（单向）

又称长程调度或作业调度。
高级调度主要用于多道批处理系统中。

⑵低级调度

又称为进程调度或短程调度。
进程调度是基本调度，所有系统都必须配备。

⑶中级调度（双向）

又称为内存调度。
主要目的是提高内存利用率和系统吞吐量。
中级调度实际上就是存储器管理中的对换功能。
可任选。

2、处理机调度算法的目标

总体目标

①资源利用率：为提高系统的资源利用率，应使系统中的处理机和其他所有资源都尽可能地保持忙碌状态。
②公平性：指应使诸进程都获得合理的CPU 时间，不会发生进程饥饿现象。
③平衡性：使系统中的CPU和各种外部设备都能经常处于忙碌状态，调度算法应尽可能保持系统资源使用的平衡性。
④策略强制执行：系统中的某些策略比如安全策略在必要的时候必须执行，即使会造成某些工作的延迟也要执行。

三种基本操作系统的目标

周转时间

平均周转时间：
带权周转时间：W=T/Ts
平均带权周期时间：

3.2作业与作业调度

3.2.1批处理系统中的作业及调度

1、作业和作业步

（1）作业：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。
（2）作业步：作业中相对独立又相互关联的加工步骤。

2、作业控制块JCB

在作业运行期间，系统就按照JCB中的信息和作业说明书对作业进行控制。

3、作业运行的三个阶段和三种状态

⑴收容阶段→后备状态
⑵运行阶段→运行状态
⑶完成阶段→完成状态

4、作业调度的主要任务

按照一定的调度算法，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。

在每次执行作业调度时，须做出以下两个决定：
- 接纳多少个作业
  取决于多道程序度，即允许多少个作业同时在内存中运行。
- 接纳哪些作业
  取决于所采用的调度算法。

3.2.2先来先服务和短作业优先调度算法

1.先来先服务FCFS(first-come first-served)：

该算法按照作业到达的先后次序进行调度。
- 优点:实现简单。
- 缺点:
  - 没考虑作业（进程）的优先级。
  - 效率不高，只顾及作业等候时间，没考虑作业要求服务时间的长短；不利于短作业。

FCFS算法示例

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，计算出各自的周转时间和带权周转时间。

FCFS的特点

比较有利于长作业，而不利于短作业。
有利于CPU繁忙的作业，而不利于I/O繁忙的作业。
- CPU繁忙型作业：该类作业需要大量的CPU时间进行计算而很少请求I/O。如通常的科学计算。
- I/O繁忙型作业：指CPU进行处理时，需频繁的请求I/O。目前大多数事务处理都属于I/O繁忙型作业。
貌似“公平”！短作业等待时间长。
属于非抢占式！

2.短作业优先SJF（short job first）：

该算法从队列中选出一个最短的作业进行调度。
- 优点：平均周转时间最短。
- 缺点：①对长作业不利；②必须预知作业的运行时间

SJF算法示例

注意，调度过程中，从就绪队列中选出作业的顺序是：
A ->D->B->E->C（对于最先到达的作业A先执行）

最短剩余时间优先算法SRTF（Shortest Remaining Time First）(抢占式)

如采用最短剩余时间优先算法SRTF（Shortest Remaining Time First），情况将如何变化。

SJF算法优缺点

算法容易实现；
能有效降低作业的平均等待时间；
忽视了作业等待时间，对长作业不利，有可能导致长作业（进程）长期不被调度（出现饥饿现象）；
要精确知道一个作业的运行时间比较困难的。

3.23优先级调度算法和高响应比优先调度算法

1.优先级调度算法(priority-scheduling algorithm,PSA)

基于作业的紧迫程度，由外部赋予作业相应的优先级，调度算法是根据该优先级进行调度的。这样就可以保证紧迫性作业优先运行。

优先级算法示例

假定在单CPU条件下有下列要执行的作业按顺序先后到达：

① 用执行时间图描述非抢占优先级调度算法执行这些作业的情况（数值越大优先级越高）。

② 算出各作业的周转时间和带权周转时间

2.高响应比优先调度算法(Highest Response Ratio Next,HRRN)

高响应比优先调度算法既考虑了作业的等待时间，又考虑作业运行时间，因此既照顾了短作业，又不致使长作业的等待时间过长，从而改善了处理机调度的性能。

高响应比优先算法的实现：

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，故该优先级又相当于响应比RP。据此，又可表示为：

高响应比优先算法示例

有两个作业A和B，
分别在7:00和8:30到达系统，
它们估计的计算时间分别为0.8小时和0.1小时，
系统在9:00开始以高响应比优先调度算法进行调度，
请问在单道执行时这两道作业被选中的次序以及选中时的响应比。
在9:00开始调度时，两个作业的响应比如下：
- A作业的响应比=1+120/48=3.5
- B作业的响应比=1+30/6=6
因此，先选中作业B!
当作业A执行时，其响应比=1+(120+6)/48=3.625

公式深入理解

算法基本思想： HRRN算法在当前作业执行完时,计算剩余作业的响应比，选取响应比最高的作业投入运行。
- 举例：以下四个作业先后到达系统，按HRRN进行调度，请给出调度顺序：
  - 开始只有作业1，被选中,执行时间20ms；
  - 作业1执行完毕，响应比依次为1+15/15、1+10/5、1+5/10，作业3被选中，执行时间5ms；
  - 作业3执行完毕，响应比依次为1+20/15、1+10/10，作业2被选中，执行时间15ms；
  - 作业2执行完毕，作业4被选中，执行时间10ms；
  - 平均作业周转时间T = (20+15+35+35)/4 = 26.25
  - 平均带权作业周转时间W = (20/20+15/5+35/15+35/10)/4 = 2.46

HRRN算法优缺点

既考虑作业等待时间，又考虑作业的运行时间；
既照顾短作业又不使长作业的等待时间过长 ;
计算响应比需要耗费时间。

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