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# CPU 调度
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## 1. 调度的层级
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**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
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**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
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**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
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## 2. 调度的时机
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1. 创建新进程之后
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2. 进程正常结束或者终止之后
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3. 当进程因被如IO， 信号量之类的操作阻塞之后
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## 3. 调度的指标
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1. **CPU 利用率**：$CPU_{利用率} = \dfrac{CPU有效工作时间}{CPU有效工作时间 + CPU空闲等待时间}$
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2. **系统吞吐量**：单位时间内 CPU 完成的进程数量
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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
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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
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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
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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
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## 4. 调度算法
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### 4.1 先来先服务（FCFS, First Come First Served）
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非抢占式算法，按照进程到达的先后顺序进行调度。
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| 优点 | 缺点 |
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| 实现简单，公平 | 对短作业不友好, 利好长作业 |
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| 每个进程都能被执行 | 平均等待时间长比较长 |
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### 4.2 短作业优先（SJF, Shortest Job First）
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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。
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| 优点 | 缺点 |
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| 平均周转时间、平均等待时间最优 | 长作业可能饥饿（Starvation） |
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| 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 |
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**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。
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### 4.3 高响应比优先（HRRN, Highest Response Ratio Next）
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计算每个就绪进程的响应比，选择响应比最高的进程执行。
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$$
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响应比 = \frac{等待时间 + 服务时间}{服务时间} = 1 + \frac{等待时间}{服务时间}
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$$
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| 优点 | 缺点 |
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| 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 |
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| 避免长作业饥饿 | 非抢占式，无法处理紧急任务 |
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### 4.4 时间片轮转（RR, Round Robin）
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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）。
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时间片大小对性能的影响：
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| 时间片 | 影响 |
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| **过大** → 退化为 FCFS，响应时间变差 |
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| **过小** → 上下文切换开销过大，降低 CPU 利用率 |
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**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。
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| 优点 | 缺点 |
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| 响应时间短，适合交互式系统 | 时间片设置敏感 |
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| 公平性好，每个进程都能获得 CPU | 上下文切换频繁 |
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### 4.5 优先级调度（Priority Scheduling）
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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。
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- **非抢占式**：当前进程运行完成后才进行调度
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- **抢占式**：当新到达进程的优先级更高时，抢占当前进程
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**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。
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| 优点 | 缺点 |
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| 可以区分不同任务的紧急程度 | 低优先级进程可能饥饿 |
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| 灵活，支持静态/动态优先级 | 需要解决优先级反转问题 |
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### 4.6 多级反馈队列（MLFQ, Multilevel Feedback Queue）
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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。
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**核心思想**：
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1. 设置多个不同优先级的就绪队列
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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）
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3. 新进程先进入最高优先级队列
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4. 进程用完时间片仍未完成，降级到下一级队列
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5. 优先级高的队列不空，不执行低优先级队列
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**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。
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| 优点 | 缺点 |
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| 兼顾交互型和计算型进程 | 参数配置复杂 |
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| 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） |
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| 避免饥饿 | |
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## 5. 算法对比总结
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| 算法 | 抢占式 | 饥饿问题 | 平均等待时间 | 响应时间 | 适用场景 |
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|------|:------:|:--------:|:----------:|:--------:|---------|
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| FCFS | ❌ | ❌ | 长 | 长 | 批处理系统 |
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| SJF | ❌ | ✅ 长作业饥饿 | 最短 | 长 | 批处理系统 |
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| SRTF | ✅ | ✅ 长作业饥饿 | 最短 | 较长 | 批处理系统 |
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| HRRN | ❌ | ❌ | 较短 | 较长 | 批处理系统 |
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| RR | ✅ | ❌ | 较长 | 短 | 交互式系统 |
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| 优先级调度 | 可选 | ✅ 低优先级饥饿 | — | — | 实时系统 |
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| MLFQ | ✅ | ❌ | 短 | 短 | 通用操作系统 |
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