postgraduate-prep/subjects/os/02_CPU调度.md

CPU 调度

1. 调度的层级

高级调度 ：又叫做作业调度，从外存中选取一个或者多个作业，为其分配内存，设备，IO等等资源。简而言之就是实现了内存与外存之间的调度，让每个调度在生命周期中只用调入一次调出一次 中级调度： 又叫做内存调度，将暂时被无法运行的进程挂起， 换出到外存 低级调度： 按照特性算法从就绪队列中选择一个进程， 分配CPU， 是操作系统中最频繁的调度， 通常几十微秒执行一次

2. 调度的时机

1. 创建新进程之后
2. 进程正常结束或者终止之后
3. 当进程因被如IO， 信号量之类的操作阻塞之后

3. 调度的指标

1. CPU 利用率：CPU_{利用率} = \dfrac{CPU有效工作时间}{CPU有效工作时间 + CPU空闲等待时间}
2. 系统吞吐量：单位时间内 CPU 完成的进程数量
3. 周转时间：$T_{周转} = T_{完成} - T_{到达}$，进程从提交到完成的总时间
4. 带权周转时间：$T_{带权周转} = \dfrac{T_{周转}}{T_{服务}}$，周转时间与服务时间的比值，衡量进程相对延迟，值越大说明等待时间相对服务时间越长
5. 等待时间：$T_{等待} = T_{周转} - T_{服务}$，进程在就绪队列中等待的时间总和
6. 响应时间：$T_{响应} = T_{首次运行} - T_{到达}$，从提交到首次被 CPU 运行的时间

4. 调度算法

4.1 先来先服务（FCFS, First Come First Served）

非抢占式算法，按照进程到达的先后顺序进行调度。

优点	缺点
实现简单，公平	对短作业不友好, 利好长作业
每个进程都能被执行	平均等待时间长比较长

4.2 短作业优先（SJF, Shortest Job First）

非抢占式算法，选择服务时间（CPU 突发时间）最短的进程优先执行。

优点	缺点
平均周转时间、平均等待时间最优	长作业可能饥饿（Starvation）
证明为最优平均等待时间算法	难以准确估计进程运行时间

最短剩余时间优先（SRTF, Shortest Remaining Time First）：SJF 的抢占式版本。每当新进程到达时，如果其剩余时间比当前运行进程的剩余时间短，则抢占 CPU。

4.3 高响应比优先（HRRN, Highest Response Ratio Next）

计算每个就绪进程的响应比，选择响应比最高的进程执行。

响应比 = \frac{等待时间 + 服务时间}{服务时间} = 1 + \frac{等待时间}{服务时间}

优点	缺点
综合考虑等待时间和运行时间	每次调度需要计算所有进程的响应比，开销较大
避免长作业饥饿	非抢占式，无法处理紧急任务

4.4 时间片轮转（RR, Round Robin）

抢占式算法，按照就绪队列的顺序，每个进程轮流获得固定长度的时间片（Time Slice）。

时间片大小对性能的影响：

时间片	影响
过大 → 退化为 FCFS，响应时间变差
过小 → 上下文切换开销过大，降低 CPU 利用率

经验法则：时间片应略大于一次典型交互所需的 CPU 时间（通常 10~100ms），使大多数进程能在一个时间片内完成。

优点	缺点
响应时间短，适合交互式系统	时间片设置敏感
公平性好，每个进程都能获得 CPU	上下文切换频繁

4.5 优先级调度（Priority Scheduling）

每个进程分配一个优先级，就绪队列中优先级最高的进程优先执行。

• 非抢占式：当前进程运行完成后才进行调度
• 抢占式：当新到达进程的优先级更高时，抢占当前进程

注意：优先级调度可能导致低优先级进程饥饿。解决方案：老化（Aging）——逐渐提升长时间等待的低优先级进程的优先级。

优点	缺点
可以区分不同任务的紧急程度	低优先级进程可能饥饿
灵活，支持静态/动态优先级	需要解决优先级反转问题

4.6 多级反馈队列（MLFQ, Multilevel Feedback Queue）

综合了多种调度方法的优点，是现代化操作系统中最常用的调度算法。

核心思想：

1. 设置多个不同优先级的就绪队列
2. 各队列内部使用 RR 调度（时间片不同，优先级越高的队列时间片越小）
3. 新进程先进入最高优先级队列
4. 进程用完时间片仍未完成，降级到下一级队列
5. 优先级高的队列不空，不执行低优先级队列

老化机制：防止进程在低优先级队列中饥饿，定期将长时间等待的进程提升到高优先级队列。

优点	缺点
兼顾交互型和计算型进程	参数配置复杂
响应时间短，吞吐量高	可能被恶意进程"玩弄"（如故意在时间片结束前释放 CPU）
避免饥饿

5. 算法对比总结

算法	抢占式	饥饿问题	平均等待时间	响应时间	适用场景
FCFS	❌	❌	长	长	批处理系统
SJF	❌	✅ 长作业饥饿	最短	长	批处理系统
SRTF	✅	✅ 长作业饥饿	最短	较长	批处理系统
HRRN	❌	❌	较短	较长	批处理系统
RR	✅	❌	较长	短	交互式系统
优先级调度	可选	✅ 低优先级饥饿	—	—	实时系统
MLFQ	✅	❌	短	短	通用操作系统