调度类型 / 对比项	要做什么	调度发生在哪	发生频率	对进程状态的影响
高级调度（作业调度）	按照某种规则，从后备队列中选择合适的作业将其调入内存，并为其创建进程	外存→内存（面向作业）	最低	无→创建态→就绪态
低级调度（内存调度）	按照某种规则，从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存	外存→内存（面向进程）	中等	挂起态→就绪态（阻塞挂起→阻塞态）
中级调度（进程调度）	按照某种规则，从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机	内存→ CPU	最高	就绪态→运行态

进程调度的时机

进程调度（低级调度）就是按照某种规则，从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机

需要进行进程调度与切换的情况
- 当前运行的进程主动放弃处理机
  - 进程正常终止
  - 运行过程中发生异常而终止
  - 进程主动请求阻塞（如等待 I/O ）
- 当前运行的进程被动放弃处理机
  - 分给进程的时间片用完
  - 有更紧急的事需要处理（如 I/O 中断）
  - 有更高优先级的进程进入就绪队列
不能进行进程调度与切换的情况
- 在处理中断的过程中，中断处理过程复杂，与硬件密切相关，很难做到在中断处理过程中进行进程切换
- 进程在操作系统内核程序临界区中
- 在原子操作过程中（原语），原子操作不可中断，要一气呵成（如之前讲过的修改 PCB 中进程状态标志，并把 PCB 放到相应队列）

在某些操作系统中，不允许应用程序被动放弃处理机；而有的操作系统会因为更加紧急的进程需要执行而强行剥夺当前运行进程的处理机，这就引出了进程的调度方式

进程调度的方式

进程的调度方式有两种：非剥夺调度方式和剥夺调度方式

非剥夺调度方式

非剥夺调度方式，又称非抢占方式。即，只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便有更紧迫的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞态

实现简单，系统开销小但是无法及时处理紧急任务，适合于早期的批处理系统

剥夺调度方式

剥夺调度方式，又称抢占方式。当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机，则立即暂停正在执行的进程，将处理机分配给更重要紧迫的那个进程

可以优先处理更紧急的进程，也可实现让各进程按时间片轮流执行的功能（通过时钟中断）。适合于分时操作系统、实时操作系统

进程的切换

“狭义的进程调度”与“进程切换”的区别：

狭义的进程调度指的是从就绪队列中选中一个要运行的进程。（这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程也可能是另一个进程，后一种情况就需要进程切换）
进程切换是指一个进程让出处理机，由另一个进程占用处理机的过程

广义的进程调度包含了选择一个进程和进程切换两个步骤

进程切换的过程主要完成了：

对原来运行进程各种数据的保存
对新的进程各种数据的恢复
（如：程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息，这些信息一般保存在进程控制块）

注意

进程切换是有代价的，因此如果过于频繁的进行进程调度、切换，必然会使整个系统的效率降低,使系统大部分时间都花在了进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少

调度器 / 调度程序

对于不支持线程的操作系统，调度程序操作的对象是进程；

对于支持线程的操作系统，调度程序操作的对象是内核线程；

线程不同的状态

选中和时间片用完导致的状态变换由调度器 / 调度程序（ Scheduler ）引起

调度程序决定：

让谁运行？ —— 调度算法
运行多长时间？ —— 时间片大小
调度时机？ —— 什么事件会触发“调度程序”？
- 创建新进程
- 进程退出
- 运行进程阻塞
- I/O 中断发生（可能唤醒某些阻塞进程）
- 非抢占式调度策略，只有运行进程阻塞或退出才触发调度程序工作
- 抢占式调度策略，每个时钟中断或 k 个时钟中断会触发调度程序工作

闲逛进程

调度程序永远的备胎，没有其他就绪进程时，运行闲逛进程（ idle 进程）

闲逛进程的特性：
- 优先级最低
- 可以是 0 地址指令，占一个完整的指令周期（指令周期末尾例行检查中断）
- 能耗低

调度算法的评价指标

通常通过下面几个指标来评价某种调度算法的性能

CPU 利用率 👍

由于早期的 CPU 造价极其昂贵，因此人们会希望让 CPU 尽可能多地工作

CPU 利用率：指 CPU “忙碌”的时间占总时间的比例

\text{CPU 利用率} = \frac{\text{忙碌时间}}{\text{总时间}}

提示

有的题目还会要求计算某种设备的利用率

eg. 某计算机只支持单道程序，某个作业刚开始需要在 CPU 上运行 5 秒，再用打印机打印输出 5 秒，之后再执行 5 秒，才能结束。在此过程中， CPU 利用率、打印机利用率分别是多少？

\begin{align*} \text{CPU 利用率} = \frac{5 + 5}{5 + 5 + 5} = \frac{10}{15} = 0.667 \\ \\ \text{打印机利用率} = \frac{5}{5 + 5 + 5} = \frac{5}{15} = 0.333 \end{align*}

系统吞吐量 👍

对于计算机来说，希望能用尽可能少的时间处理完尽可能多的作业，这就是系统吞吐量

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量

\text{系统吞吐量} = \frac{\text{完成作业的数量}}{\text{单位时间}}

eg. 某计算机系统处理完 10 道作业，共花费 100 秒，则系统吞吐量为？

\text{系统吞吐量} = \frac{10}{100} = 0.1 \text{ 道 / 秒}

周转时间 👍

对于计算机的用户来说，他很关心自己的作业从提交到完成花了多少时间

周转时间，是指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔
它包括四个部分：作业在外存后备队列上等待作业调度（高级调度）的时间、进程在就绪队列上等待进程调度（低级调度）的时间、进程在 CPU 上执行的时间、进程等待 I/O 操作完成的时间。后三项在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次。

\begin{align*} \text{（作业）周转时间} = \text{作业完成时间} - \text{作业被提交时间} \\ \\ \text{平均周转时间} = \frac{\text{各作业周转时间之和}}{\text{作业数}} \end{align*}

提示

有的作业运行时间短，有的作业运行时间长，因此在周转时间相同的情况下，运行时间不同的作业，给用户的感觉肯定是不一样的

对此，我们可以引入带权周转时间

\begin{align*} \text{带权周转时间} = \frac{\text{作业周转时间}}{\text{作业实际运行时间}} = \frac{\text{作业完成时间} - \text{作业被提交时间}}{\text{作业实际运行时间}} \\ \\ \text{平均带权周转时间} = \frac{\text{各作业带权周转时间之和}}{\text{作业数}} \end{align*}

带权周转时间必然 $\ge$ 1
带权周转时间与周转时间都是越小越好

对于周转时间相同的两个作业，实际运行时间长的作业在相同时间内被服务的时间更多，带权周转时间更小，用户满意度更高
对于实际运行时间相同的两个作业，周转时间短的带权周转时间更小，用户满意度更高

等待时间

计算机的用户希望自己的作业尽可能少的等待处理机
等待时间，指进程 / 作业处于等待处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低

对于进程来说，等待时间就是指进程建立后等待被服务的时间之和，在等待 I/O 完成的期间其实进程也是在被服务的，所以不计入等待时间

对于作业来说，不仅要考虑建立进程后的等待时间，还要加上作业在外存后备队列中等待的时间

\begin{align*} \text{（进程）等待时间} = \text{周转时间} - \text{运行时间} - \text{I/O 操作总时长（等待 I/O 时间 + I/O 操作时间）} \end{align*}

提示

作业会在外存中的后备队列等待被服务（调度）

作业调入内存后，建立对应的进程。这个进程会被 CPU 服务、会被 I/O 设备服务，当然也会有等待被服务的时候（比如等待 I/O 完成）

一个作业总共需要被 CPU 服务多久，被 I/O 设备服务多久一般是确定不变的，因此调度算法其实只会影响作业 / 进程的等待时间。当然，与前面指标类似，也有“平均等待时间”来评价整体性能

响应时间

对于计算机用户来说，会希望自己的提交的请求（比如通过键盘输入了一个调试命令）尽早地开始被系统服务、回应

响应时间，指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。响应时间越小，用户满意度越高

调度算法

将按照以下框架分析各个算法

算法思想
算法规则
这种调度算法是用于作业调度还是进程调度？
该算法是抢占式？还是非抢占式？
优点和缺点
是否会导致饥饿（某进程 / 作业长期得不到服务）

先来先服务

先来先服务算法（ First Come First Serve ， FCFS ）

算法思想

主要从“公平”的角度考虑（类似于我们生活中排队买东西的例子）

算法规则

按照作业 / 进程到达的先后顺序进行服务

用于作业 / 进程调度

用于作业调度时，考虑的是哪个作业先到达后备队列；用于进程调度时，考虑的是哪个进程先到达就绪队列

是否可抢占

非抢占式的算法

优缺点
- 优点：算法实现简单、公平
- 缺点：排在长作业（进程）后面的短作业需要等待很长时间，带权周转时间很大，对短作业来说用户体验不好。即 FCFS 算法对长作业有利，对短作业不利（ eg. 排队买奶茶……）
是否会导致饥饿

不会

eg. 各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用先来先服务调度算法，计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间

进程	到达时间	运行时间
P1	0	7
P2	2	4
P3	4	1
P4	5	4

先来先服务调度算法：按照到达的先后顺序调度，事实上就是等待时间越久的越优先得到服务

因此，调度顺序为： P1 → P2 → P3 → P4

调度过程

周转时间： $\text{（作业）周转时间} = \text{作业完成时间} - \text{作业被提交时间}$

\begin{aligned} &P1 = 7 - 0 = 7 \\ &P2 = 11 - 2 = 9 \\ &P3 = 12 - 4 = 8 \\ &P4 = 16 - 5 = 11 \\ \end{aligned}

带权周转时间： $\text{带权周转时间} = \frac{\text{作业周转时间}}{\text{作业实际运行时间}}$

\begin{aligned} &P1 = \frac{7}{7} = 1 \\ &P2 = \frac{9}{4} = 2.25 \\ &P3 = \frac{8}{1} = 8 \\ &P4 = \frac{11}{4} = 2.75 \\ \end{aligned}

等待时间： $\text{等待时间} = \text{周转时间} - \text{运行时间} \text{（} - \text{I/O 操作总时长（等待 I/O 时间 + I/O 操作时间））}$

\begin{aligned} &P1 = 7 - 7 = 0 \\ &P2 = 9 - 4 = 5 \\ &P3 = 8 - 1 = 7 \\ &P4 = 11 - 4 = 7 \\ \end{aligned}

平均周转时间： $\frac{7+9+8+11}{4} = 8.75$

平均带权周转时间： $\frac{1+2.25+8+2.75}{4} = 3.5$

平均等待时间： $\frac{0+5+7+7}{4} = 4.75$

注意

本例中的进程都是纯计算型的进程，一个进程到达后要么在等待，要么在运行。如果是又有计算、又有 I/O 操作的进程，其等待时间就是周转时间-运行时间 - I/O 操作的时间

短作业优先

短作业优先算法（ Shortest Job First ， SJF ）

算法思想

追求最少的平均等待时间，最少的平均周转时间、最少的平均平均带权周转时间

算法规则

最短的作业 / 进程优先得到服务（所谓“最短”，是指要求服务时间最短）

用于作业 / 进程调度

即可用于作业调度，也可用于进程调度。用于进程调度时称为“短进程优先（ SPF ， Shortest Process First）算法”

是否可抢占

SJF 和 SPF 是非抢占式的算法。但是也有抢占式的版本——最短剩余时间优先算法（ SRTN ， Shortest Remaining Time Next）

优缺点
- 优点：“最短的”平均等待时间、平均周转时间
- 缺点：不公平。对短作业有利，对长作业不利。可能产生饥饿现象。另外，作业 / 进程的运行时间是由用户提供的，并不一定真实，不一定能做到真正的短作业优先
是否会导致饥饿

会。如果源源不断地有短作业 / 进程到来，可能使长作业 / 进程长时间得不到服务，产生“饥饿”现象。如果一直得不到服务，则称为“饿死”

eg. 各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用短作业优先调度算法，计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间

进程	到达时间	运行时间
P1	0	7
P2	2	4
P3	4	1
P4	5	4

短作业 / 进程优先调度算法：每次调度时选择当前已到达且运行时间最短的作业 / 进程

因此，调度顺序为:P1→P3→P2→P4

调度过程

周转时间：

\begin{aligned} &P1 = 7 - 0 = 7 \\ &P3 = 8 - 4 = 4 \\ &P2 = 12 - 2 = 10 \\ &P4 = 16 - 5 = 11 \\ \end{aligned}

带权周转时间：

\begin{aligned} &P1 = \frac{7}{7} = 1 \\ &P3 = \frac{4}{1} = 4 \\ &P2 = \frac{10}{4} = 2.5 \\ &P4 = \frac{11}{4} = 2.75 \\ \end{aligned}

等待时间：

\begin{aligned} &P1 = 7 - 7 = 0 \\ &P3 = 4 - 1 = 3 \\ &P2 = 10 - 4 = 6 \\ &P4 = 11 - 4 = 7 \\ \end{aligned}

平均周转时间： $\frac{7+4+10+11}{4} = 8$

平均带权周转时间： $\frac{1+4+2.5+2.75}{4} = 2.56$

平均等待时间： $\frac{0+3+6+7}{4} = 4$

对比 FCFS 算法的结果，显然 SPF 算法的平均等待 / 周转时间 / 带权周转时间都要更低

使用抢占式的短作业优先调度算法（抢占式的短作业优先算法又称“最短剩余时间优先算法（ SRTN ）”）

进程	到达时间	运行时间
P1	0	7
P2	2	4
P3	4	1
P4	5	4

最短剩余时间优先算法：每当有进程加入就绪队列改变时就需要调度，如果新到达的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短，则由新进程抢占处理机，当前运行进程重新回到就绪队列。另外，当一个进程完成时也需要调度

需要注意的是，当有新进程到达时就绪队列就会改变，就要按照上述规则进行检查。以下 $P_n(m)$ 表示当前 $P_n$ 进程剩余时间为 $m$ 。各个时刻的情况如下：

0 时刻（ $P1$ 到达）： $P_1(7)$
2 时刻（ $P2$ 到达）： $P_1(5)$ 、 $P_2(4)$
4 时刻（ $P3$ 到达）： $P_1(5)$ 、 $P_2(2)$ 、 $P_3(1)$
5 时刻（ $P3$ 完成且 $P4$ 刚好到达）： $P_1(5)$ 、 $P_2(2)$ 、 $P_4(4)$
7 时刻（ $P2$ 完成）： $P_1(5)$ 、 $P_4(4)$
11 时刻（ $P4$ 完成）： $P_1(5)$

调度过程

周转时间：

\begin{aligned} &P1 = 16 - 0 = 16 \\ &P2 = 7 - 2 = 5 \\ &P3 = 5 - 4 = 1 \\ &P4 = 11 - 5 = 6 \\ \end{aligned}

带权周转时间：

\begin{aligned} &P1 = \frac{16}{7} = 2.28 \\ &P2 = \frac{5}{4} = 1.25 \\ &P3 = \frac{1}{1} = 1 \\ &P4 = \frac{6}{4} = 1.5 \\ \end{aligned}

等待时间：

\begin{aligned} &P1 = 16 - 7 = 9 \\ &P2 = 5 - 4 = 1 \\ &P3 = 1 - 1 = 0 \\ &P4 = 6 - 4 = 2 \\ \end{aligned}

平均周转时间： $\frac{16+5+1+6}{4} = 7$

平均带权周转时间： $\frac{2.28+1.25+1+1.5}{4} = 1.50$

平均等待时间： $\frac{9+1+0+2}{4} = 3$

对比非抢占式的短作业优先算法，显然抢占式的这几个指标又要更低

几个小细节：

如果题目中未特别说明，所提到的“短作业 / 进程优先算法”默认是非抢占式的
很多书上都会说“ SJF 调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”严格来说，这个表述是错误的，不严谨的。之前的例子表明，最短剩余时间优先算法得到的平均等待时间、平均周转时间还要更少
应该加上一个条件“在所有进程同时可运行时，采用 SJF 调度算法的平均等待时间、平均周转时间最小”：
或者说“在所有进程都几乎同时到达时，采用 SJF 调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”
如果不加上述前提条件，则应该说“抢占式的短作业 / 进程优先调度算法（最短剩余时间优先， SRNT 算法）的平均等待时间、平均周转时间最少”
如果选择题中遇到“ SJF 算法的平均等待时间、平均周转时间最少”的选项，那最好判断其他选项是不是有很明显的错误，如果没有更合适的选项，那也应该选择该选项

高响应比优先

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

算法思想

要综合考虑作业 / 进程的等待时间和要求服务的时间

算法规则

在每次调度时先计算各个作业 / 进程的响应比，选择响应比最高的作业 / 进程为其服务

\text{响应比} = \frac{\text{等待时间} + \text{要求服务时间}}{\text{要求服务时间}} \text{， 响应比} \ge 1

用于作业 / 进程调度

即可用于作业调度，也可用于进程调度

是否可抢占

非抢占式的算法。因此只有当前运行的作业 / 进程主动放弃处理机时，才需要调度，才需要计算响应比

优缺点
- 综合考虑了等待时间和运行时间（要求服务时间）等待时间相同时
- 要求服务时间短的优先（ SIF 的优点）
- 要求服务时间相同时，等待时间长的优先（ FCFS 的优点）
- 对于长作业来说，随着等待时间越来越久，其响应比也会越来越大，从而避免了长作业饥饿的问题
是否会导致饥饿

不会

同样上面的例题，采用高响应比优先调度算法

进程	到达时间	运行时间
P1	0	7
P2	2	4
P3	4	1
P4	5	4

高响应比优先算法：非抢占式的调度算法，只有当前运行的进程主动放弃 CPU 时（正常 / 异常完成，或主动阻塞），才需要进行调度，调度时计算所有就绪进程的响应比，选响应比最高的进程上处理机。

0 时刻：只有 $P_1$ 到达就绪队列， $P_1$ 上处理机
7 时刻（ $P_1$ 主动放弃处理机）：
就绪队列中有： $P_2$ （ $\frac{5+4}{4}=2.25$ ）、 $P_3$ （ $\frac{3+1}{1}=4$ ）、 $P_4$ （ $\frac{2+4}{4}=1.5$ ）
8 时刻（ $P_3$ 完成）： $P_2$ （ 2.5 ）、 $P_4$ （ 1.75 ）
12 时刻（ $P_2$ 完成）：就绪队列中只剩下 $P_4$

$P_2$ 和 $P_4$ 要求服务时间一样，但 $P_2$ 等待时间长，所以必然是 $P_2$ 响应比更大，所以 $P_2$ 先上处理机

上述三种算法总结

注：这几种算法主要关心对用户的公平性、平均周转时间、平均等待时间等评价系统整体性能的指标，但是不关心“响应时间”，也并不区分任务的紧急程度，因此对于用户来说，交互性很糟糕。因此这三种算法一般适合用于早期的批处理系统，当然， FCFS 算法也常结合其他的算法使用，在现在也扮演着很重要的角色。而适合用于交互式系统的调度算法将在接下来介绍……

时间片轮转

时间片轮转调度算法（ RR ， Round-Robin ）

算法思想

公平地、轮流地为各个进程服务，让每个进程在一定时间间隔内都可以得到响应

算法规则

按照各进程到达就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个时间片（如 100ms ）。若进程未在一个时间片内执行完则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队

用于作业 / 进程调度

用于进程调度（只有作业放入内存建立了相应的进程后，才能被分配处理机时间片）

是否可抢占

若进程未能在时间片内运行完，将被强行剥夺处理机使用权，因此时间片轮转调度算法属于抢占式的算法。由时钟装置发出时钟中断来通知 CPU 时间片已到

优缺点
- 优点：公平，响应快，适用于分时操作系统
- 缺点：由于高频率的进程切换，因此有一定开销，不区分任务的紧急程度
是否会导致饥饿

不会

补充

时间片太大或太小分别有什么影响？

eg. 各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用时间片轮转调度算法，分析时间片大小分别是 2 、 5 时的进程运行情况

进程	到达时间	运行时间
P1	0	5
P2	2	4
P3	4	1
P4	5	6

该算法常用于分时操作系统，更注重“响应时间”，因而此处不计算周转时间

时间片为 2 的运行情况

时间片大小为 2 （注：以下括号内表示当前时刻就绪队列中的进程、进程的剩余运行时间）
- 0 时刻（ P1(5) ）：0 时刻只有 P1 到达就绪队列，让 P1 上处理机运行一个时间片
- 2 时刻（ P2(4) → P1(3) ）：2 时刻 P2 到达就绪队列，P1 运行完一个时间片，被剥夺处理机，重新放到队尾
  此时 P2 排在队头，因此让 P2 上处理机。（注意： 2 时刻， P1 下处理机，同一时刻新进程 P2 到达如果在题目中遇到这种情况，默认新到达的进程先进入就绪队列）
- 4 时刻（ P1(3) → P3(1) → P2(2) ）：4 时刻，P3 到达，先插到就绪队尾，紧接着，P2 下处理机也插到队尾
- 5 时刻（ P3(1) → P2(2) → P4(6)）：5 时刻，P4 到达插到就绪队尾（注意：由于 P1 的时间片还没用完，因此暂时不调度。另外，此时 P1 处于运行态，并不在就绪队列中）
- 6 时刻（ P3(1) → P2(2) → P4(6) → P1(1) ）：6 时刻，P1 时间片用完，下处理机，重新放回就绪队尾，发生调度
- 7 时刻（ P2(2) → P4(6) → P1(1) ）：虽然 P3 的时间片没用完，但是由于 P3 只需运行 1 个单位的时间，运行完了会主动放弃处理机，因此也会发生调度。队头进程 P2 上处理机
- 9 时刻（ P4(6) → P1(1) ）：进程 P2 时间片用完，并刚好运行完，发生调度，P4 上处理机
- 11 时刻（ P1(1) → P4(4) ）：4 时间片用完，重新回到就绪队列。P1 上处理机
- 12 时刻（ P4(4) ）：P1 运行完，主动放弃处理机，此时就绪队列中只剩 P4 ， P4 上处理机
- 14 时刻（）：就绪队列为空因此让 P4 接着运行一个时间片
- 16 时刻：所有进程运行结束

时间片为 5 的运行情况

时间片大小为 5
- 0 时刻（ P1(5) ）：只有 P1 到达， P1 上处理机
- 2 时刻（ P2(4) ）： P2 到达，但 P1 时间片尚未结束，因此暂不调度
- 4 时刻（ P2(4) → P3(1) ）：P3 到达，但 P1 时间片尚未结束，因此暂不调度
- 5 时刻（ P2(4) → P3(1) → P4(6) ）：P4 到达，同时，P1 运行结束。发生调度，P2 上处理机
- 9 时刻（ P3(1) → P4(6) ）：P2 运行结束，虽然时间片没用完，但是会主动放弃处理机。发生调度
- 10 时刻（ P4(6) ）：P3 运行结束，虽然时间片没用完，但是会主动放弃处理机。发生调度
- 15 时刻（）：P4 时间片用完，但就绪队列为空，因此会让 P4 继续执行一个时间片

可以发现时间片为 5 的情况下，时间片轮转调度算法与 FCFS 算法的运行情况是相同的

如果时间片太大，使得每个进程都可以在一个时间片内就完成，则时间片轮转调度算法退化为先来先服务调度算法，并且会增大进程响应时间。因此时间片不能太大

举例

eg. 系统中有 10 个进程在并发执行，如果时间片为 1 秒，则一个进程被响应可能需要等 9 秒……也就是说，如果用户在自己进程的时间片外通过键盘发出调试命令，可能需要等待 9 秒才能被系统响应

另一方面，进程调度、切换是有时间代价的（保存、恢复运行环境），因此如果时间片太小，会导致进程切换过于频繁，系统会花大量的时间来处理进程切换，从而导致实际用于进程执行的时间比例减少。可见时间片也不能太小

* 时间片设置的注意事项

一般来说，设计时间片时要让切换进程的开销占比不超过 1%

优先级

优先级调度算法

算法思想

随着计算机的发展，特别是实时操作系统的出现，越来越多的应用场景需要根据任务的紧急程度来决定处理顺序

算法规则

每个作业 / 进程有各自的优先级，调度时选择优先级最高的作业 / 进程

用于作业 / 进程调度

既可用于作业调度，也可用于进程调度。甚至，还会用于在之后会学习的 I/O 调度中

是否可抢占

抢占式、非抢占式都有。做题时的区别在于：非抢占式只需在进程主动放弃处理机时进行调度即可，而抢占式还需在就绪队列变化时，检查是否会发生抢占

优缺点
- 优点：用优先级区分紧急程度、重要程度，适用于实时操作系统。可灵活地调整对各种作业 / 进程的偏好程度
- 缺点：若源源不断地有高优先级进程到来，则可能导致饥饿
是否会导致饥饿

会

补充

动态 / 静态优先级？各类型进程如何设置优先级？如何调整优先级？

eg. 各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间、进程优先数如下表所示。使用非抢占式的优先级调度算法，分析进程运行情况。（注：优先数越大，优先级越高）（有些题目可能是优先数越小，优先级越高，以题目为准，这里采用前面括号里的规则）

进程	到达时间	运行时间	优先数
P1	0	7	1
P2	2	4	2
P3	4	1	3
P4	5	4	2

注：以下括号内表示当前处于就绪队列的进程

非抢占式运行情况

非抢占式的优先级调度算法：每次调度时选择当前已到达且优先级最高的进程。当前进程主动放弃处理机时发生调度，而就绪队列变化时，不会发生调度
- 0 时刻（ P1 ）：只有 P1 到达， P1 上处理机
- 7 时刻（ P2 、 P3 、 P4 ）：P1 运行完成主动放弃处理机，其余进程都已到达，P3 优先级最高，P3 上处理机
- 8 时刻（ P2 、 P4 ）：P3 完成，P2、P4 优先级相同，由于 P2 先到达，因此 P2 优先上处理机
- 12 时刻（ P4 ）：P2 完成，就绪队列只剩 P4 ， P4 上处理机
- 16 时刻（）：P4 完成，所有进程都结束

抢占式运行情况

抢占式的优先级调度算法：每次调度时选择当前已到达且优先级最高的进程。当前进程主动放弃处理机时发生调度。另外，当就绪队列发生改变时也需要检查是会发生抢占
- 0 时刻（ P1 ）：只有 P1 到达， P1 上处理机
- 2 时刻（ P2 ）：P2 到达就绪队列，优先级比 P1 更高，发生抢占。P1 回到就绪队列，P2 上处理机。
- 4 时刻（ P1 、 P3 ）：P3 到达，优先级比 P2 更高，P2 回到就绪队列，P3 抢占处理机。
- 5 时刻（ P1 、 P2 、 P4 ）：P3 完成，主动释放处理机，同时，P4 也到达，由于 P2 比 P4 更先进来，因此选择 P2 上处理机
- 7 时刻（ P1 、 P4 ）：P2 完成，就绪队列只剩 P1 、 P4 ，P4 上处理机
- 11 时刻（ P1 ）：P4 完成，P1 上处理机

提示

就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织。另外，也可以把优先级高的进程排在更靠近队头的位置
根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级两种

静态优先级：创建进程时确定，之后一直不变
动态优先级：创建进程时有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级。

如何合理地设置各类进程的优先级？通常情况下：

系统进程优先级高于用户进程
前台进程优先级高于后台进程
操作系统更偏好 I/O 型进程（或称 I/O 繁忙型进程）

注：与 I/O 型进程 相对的是计算型进程（或称 CPU 繁忙型进程）

如果采用的是动态优先级，什么时候应该调整？

可以从追求公平、提升资源利用率等角度考虑
如果某进程在就绪队列中等待了很长时间，则可以适当提升其优先级
如果某进程占用处理机运行了很长时间，则可适当降低其优先级
如果发现一个进程频繁地进行 I/O 操作，则可适当提升其优先级

多级反馈队列

多级反馈队列调度算法

算法思想

对其他调度算法的折中权衡

算法规则

设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大
新进程到达时先进入第 1 级队列，按 FCFS 原则排队等待被分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾。如果此时已经是在最下级的队列，则重新放回该队列队尾
只有第 k 级队列为空时，才会为 k + 1 级队头的进程分配时间片

用于作业 / 进程调度

用于进程调度

是否可抢占

抢占式的算法。在 k 级队列的进程运行过程中，若更上级的队列（ 1 ~ k - 1 级）中进入了一个新进程，则由于新进程处于优先级更高的队列中，因此新进程会抢占处理机，原来运行的进程放回 k 级队列队尾

优缺点

对各类型进程相对公平（ FCFS 的优点）；
每个新到达的进程都可以很快就得到响应（ RR 的优点）；
短进程只用较少的时间就可完成（ SPF 的优点）；
不必实现估计进程的运行时间（避免用户作假）；
可灵活地调整对各类进程的偏好程度，比如 CPU 密集型进程、 I/O 密集型进程（拓展：可以将因 I/O 而阻塞的进程重新放回原队列，这样 I/O 型进程就可以保持较高优先级）

是否会导致饥饿

会

eg. 各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用多级反馈队列调度算法，分析进程运行的过程

进程	到达时间	运行时间
P1	0	8
P2	1	4
P3	5	1

设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大

新进程到达时先进入第 1 级队列，按 FCFS 原则排队等待被分配时间片。若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾。如果此时已经在最下级的队列，则重新放回最下级队列队尾

只有第 k 级队列为空时，才会为 k + 1 级队头的进程分配时间片

被抢占处理机的进程重新放回原队列队尾

多级反馈队列示意

该例中运行顺序为：（括号内为该进程在处理机上运行的时间）

P1(1) → P2(1) → P1(2) → P2(1) → P3(1) → P2(2) → P1(4) → P1(1)

上述三种算法总结

比起早期的批处理操作系统来说，由于计算机造价大幅降低，因此之后出现的交互式操作系统（包括分时操作系统、实时操作系统等）更注重系统的响应时间、公平性、平衡性等指标。而这几种算法恰好也能较好地满足交互式系统的需求。因此这三种算法适合用于交互式系统。（比如 UNIX 使用的就是多级反馈队列调度算法）

多级队列

多级队列调度算法

多级队列示意

系统中按进程类型设置多个队列，进程创建成功后插入某个队列，进程调度时从高优先级队列中选择进程运行。

队列之间可采取固定优先级，或时间片划分
固定优先级：高优先级队列空时，低优先级进程才能被调度
时间片划分：如三个队列分配时间 50% 、 40% 、 10%

各队列可采用不同的调度策略，如：

系统进程队列采用优先级调度
交互式队列采用 RR
批处理队列采用 FCFS

多处理机

多处理机调度算法

单处理机和多处理机调度的区别
- 单处理机调度
只需决定让哪个就绪进程优先上处理机即可
- 多处理机调度
① 用调度算法决定让哪个就绪进程优先上处理机？
② 还需决定被调度的进程到底上哪个处理机？
多处理机还需要考虑的问题
- 负载均衡
尽可能让每个 CPU 都同等忙碌
- 处理机亲和性
尽量让一个进程调度到同一个 CPU 上运行，以发挥 CPU 中缓存的作用（ Cache ）

采用公共就绪队列

所有 CPU 共享同一个就绪进程队列（位于内核区）

每个 CPU 同时运行调度程序，从公共就绪队列中选择一个进程运行

每个 CPU 访问公共就绪队列时需要上锁（确保互斥），以防止多个 CPU 同时访问导致的冲突

优点

可以天然地实现负载均衡

缺点

各个进程频繁地换 CPU 运行，“亲和性”不好

如何提升处理机亲和性？
- 软亲和
由进程调度程序尽量保证“亲和性”
- 硬亲和
由用户进程通过系统调用，主动要求操作系统分配固定的 CPU ，确保“亲和性”

采用私有就绪队列

每个 CPU 都有一个私有就绪队列

CPU 空闲时运行调度程序，从私有就绪队列中选择一个进程运行

如何实现负载均衡
- 推迁移（ Push ）策略：
一个特定的系统程序周期性检查每个处理器的负载，如果负载不平衡，就从忙碌 CPU 的就绪队列中“推”一些就绪进程到空闲 CPU 的就绪队列
- 拉迁移（ Pull ）策略：
每个 CPU 运行调度程序时，周期性检查自身负载与其他 CPU 负载。如果一个 CPU 负载很低，就从其他高负载 CPU 的就绪队列中“拉”一些就绪进程到自己的就绪队列
如何实现处理机亲和性

私有就绪队列天然地实现了“处理机亲和性”

也可以通过采用硬亲和

更新日志

2025/8/28 09:27

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be3e3-修订并新增一篇于 2025/8/28
8879d-修订于 2025/8/25
8895b-修订于 2025/8/23
36fd0-美化样式于 2025/8/23
83796-修订，修改页脚的层级为最上层于 2025/8/22
af534-修改样式表，添加组件注释，修订一篇，新增一篇于 2025/8/22