操作系统的几种调度算法

相关时间计算
周转时间 = 作业完成时刻 - 作业到达时刻
等待时间 = 周转时间 - 运行时间
带权周转时间 = 周转时间 / 服务时间
平均周转时间 = 作业周转时间之和 / 作业个数
平均带权周转时间 = 带权周转时间之和 / 作业个数
服务时间：作业的运行时间

调度&分配
1、调度：
调度实现进程/线程选择算法，选中者获得处理器。
2、分配：
分派实现处理器的分配和绑定工作，将处理器分配给被选中的进程或线程，处理进程或线程上下文交换细节。

剥夺式（抢占式）& 非剥夺式（非抢占式）
1、剥夺式（抢占式）优先级调度算法。当一个进程正在处理机上运行时，若有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，则立即暂停正在运行的进程，将处理机分配给更重要或紧迫的进程。
2、非剥夺式（非抢占式）优先级调度算法。当一个进程正在处理上运行时，即使有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，仍然让正在进行的进程继续运行，直到由于其自身原因而主动让出处理机（任务完成或等待事件），才把处理机分配给更为重要或紧迫的进程。

操作系统的任务调度算法用于决定系统中多个进程的执行顺序，不同的调度算法在性能、响应时间等方面表现不同。以下是几种常见的任务调度算法及其特点、优缺点、适用场景：

一、先来先服务调度算法（FCFS）

• 类型：非抢占式调度算法
• 优先级类型：无优先级
• 调度依据：按照进程到达的顺序进行调度
• 核心思想：按照进程到达的顺序进行调度，先到先执行。
• 适用场景：适用于进程的处理时间相对均匀、资源争用较小的场景。
• 优点：
  • 简单易实现。
  • 没有复杂的计算和管理。
• 缺点：
  • 可能导致“饥饿”现象，即长作业可能一直被短作业抢占。
  • 不适合响应时间要求较高的系统。
  • 会产生较长的平均等待时间，尤其是进程处理时间差异大的情况下。

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二、短作业优先调度算法（SJF）

• 类型：非抢占式调度算法
• 优先级类型：根据进程的预计执行时间进行优先级排序
• 调度依据：根据进程的执行时间（Burst Time）进行排序，最短的先执行
• 核心思想：短作业优先执行，减少平均等待时间。
• 适用场景：适用于处理时间可以预测且短作业较为常见的场景。
• 优点：
  • 可以最小化平均等待时间。
  • 高效，尤其在大多数作业较短时。
• 缺点：
  • 需要准确知道每个进程的执行时间，这在实际中通常不容易实现。
  • 长作业可能一直无法得到调度（“饥饿”现象）。
  • 不适用于实时性要求高的系统。

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三、最短剩余时间优先调度算法（SRTF）

• 类型：抢占式调度算法
• 优先级类型：根据进程剩余执行时间进行优先级排序
• 调度依据：每当新进程到达时，都重新评估剩余执行时间，选择剩余时间最短的进程执行。
• 核心思想：进程执行过程中若有更短作业到达，则会抢占当前执行的进程。
• 适用场景：适用于大多数进程执行时间不等且可以精确估算执行时间的场景。

• 优点：
  • 相比于FCFS，能够减少平均等待时间。
  • 对短作业非常有利。
• 缺点：
  • 长作业可能永远无法得到执行（“饥饿”问题）。
  • 实现复杂，需要不断更新剩余时间，增加系统开销。
  • 需要对进程剩余时间进行估算，实际应用中可能不准确。

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四、响应比最高者优先调度算法（HRRF）

• 类型：非抢占式调度算法
• 优先级类型：动态优先级
• 调度依据：根据响应比（响应比 = (等待时间 + 服务时间) / 服务时间）来决定执行顺序，响应比高的进程优先执行。
• 核心思想：通过响应比来平衡进程等待时间与服务时间，综合考虑长作业和短作业。
• 适用场景：适用于需要在短作业和长作业之间平衡的系统。

• 优点：
  • 比SJF能更好地处理长作业，减少饥饿现象。
  • 响应比高的进程能迅速得到执行，响应时间较短。
• 缺点：
  • 相对复杂，需要计算响应比。
  • 在负载较重的情况下，可能导致系统效率降低。

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五、时间片轮转调度算法（RR）

• 类型：抢占式调度算法
• 优先级类型：无优先级
• 调度依据：每个进程被分配一个时间片，当时间片用完后，进程被抢占，调度下一个进程。
• 核心思想：为每个进程分配一个固定的时间片，使得进程公平共享CPU时间。
• 适用场景：适用于对响应时间要求较高的多任务环境，如操作系统中的时间共享系统。

• 优点：
  • 公平，保证每个进程都有机会获得CPU时间。
  • 系统响应较快，适用于需要高响应的环境。
• 缺点：
  • 如果时间片过长，则类似于FCFS。
  • 如果时间片过短，则频繁上下文切换导致系统效率低。
  • 对长作业不友好，可能导致较高的平均等待时间。

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六、优先级调度算法（PSA）

• 类型：可以是抢占式或非抢占式调度算法
• 优先级类型：静态优先级或动态优先级
• 调度依据：根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程优先执行。
• 核心思想：根据进程的优先级来决定调度顺序，优先级高的进程先执行。
• 适用场景：适用于需要根据进程的重要性进行调度的场景，如实时操作系统。

• 优点：
  • 能够保证高优先级进程的及时响应，适用于重要任务的调度。
  • 可灵活定义优先级，满足不同需求。
• 缺点：
  • 可能导致低优先级进程饥饿，尤其是在优先级较为固定的情况下。
  • 需要有效的优先级管理策略。

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七、多级反馈队列调度算法 (MLFQ)

• 类型：抢占式调度算法
• 优先级类型：动态优先级
• 调度依据：进程根据历史执行情况在多个队列之间移动，通常优先执行处于高优先级队列的进程。
• 核心思想：根据进程的行为（如CPU使用情况）动态调整优先级，以此提供公平性和响应时间的平衡。
• 适用场景：适用于多种负载和任务特性的综合性操作系统。

• 优点：
  • 动态调整进程的优先级，适应不同类型的任务。
  • 可以有效平衡长短作业之间的执行，减少饥饿现象。
• 缺点：
  • 实现复杂，需要管理多个队列。
  • 对于实时性要求极高的应用，可能不如专门的实时调度算法。

总结

不同的任务调度算法适用于不同类型的系统和应用。选择合适的调度算法需要根据系统的需求，如响应时间、吞吐量、公平性、任务的性质（长任务与短任务）等因素进行综合考虑。在现代操作系统中，通常采用多种调度策略结合的方式，以平衡不同需求。