计算机操作系统（十二）详细讲解调计算机操作系统调度算法与多处理机调度

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前言

• 在之前的博客中，我们已对调度器/调度程序、闲逛调度以及调度算法的评价指标进行了讲解。
• 接下来，本篇博客将继续深入探讨计算机操作系统的调度算法，并介绍多处理机调度相关内容。

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一、调度算法入门的3个核心概念

（一）调度算法是什么？

简单说就是计算机分配任务的"规则"。

• 比如你去银行办业务，柜员按什么顺序叫号？是先来先办（先来先服务），还是优先处理简单业务（短作业优先）？
• 计算机调度任务也需要类似规则，让CPU高效处理多个任务。

（二）两种基本调度模式

• 非抢占式（温柔模式）：任务一旦开始执行，必须等到自己主动暂停（比如等数据输入）才会换人。
  🌰 就像你排队时，前面的人就算办业务很慢，也得等他办完才轮到你。

• 抢占式（强制模式）：系统可以强行打断当前任务，优先处理更紧急的。
  🌰 比如急诊室里，不管前面有多少人排队，危重病人来了立刻插队。

（三）什么是"饥饿"？

有些任务因为调度规则永远轮不到执行，就像食堂打饭时，每次都让后面的人先打，你永远吃不上饭，这就是"饥饿"。好的调度算法要避免这种情况。

二、单机调度算法：从简单到优化的进化史

（一）初代算法：先来先服务（FCFS）

• 核心思想：完全按任务到达顺序处理，先来的先做。
• 规则：排队！谁先到队列头部，CPU就先处理谁。
• 应用场景：早期操作系统的作业调度（比如批量处理打印任务）。
• 是否可抢占：非抢占式（必须等当前任务自己结束）。
• 优缺点：
  ✅ 简单公平
  ❌ 效率低（比如前面有个超慢任务，后面所有快任务都得干等）
• 会饿吗？：不会（按顺序处理，总有轮到你的时候）。

（二）效率升级：短作业优先（SJF）

• 核心思想：优先处理"预计执行时间短"的任务。
• 规则：每次从队列里挑最快能做完的任务先做。
• 应用场景：适合任务执行时间可预估的场景（比如已知的计算任务）。
• 是否可抢占：分两种版本：
  • 非抢占式SJF：新任务来了先排队，等当前任务结束再比较
  • 抢占式SJF（Shortest Remaining Time First）：如果新任务剩余时间更短，直接打断当前任务
• 优缺点：
  ✅ 整体效率高（减少平均等待时间）
  ❌ 对长任务不友好（可能一直被短任务插队，导致饥饿）
• 会饿吗？：会！如果不断来短任务，长任务可能永远做不了。

（三）平衡大师：高响应比优先（HRRN）

• 核心思想：用一个公式平衡"等待时间"和"任务时长"，避免长任务饿死。
  响应比 =（等待时间 + 执行时间）÷ 执行时间
  （等待越久、执行越短的任务，响应比越高，优先处理）
• 规则：每次调度前计算所有任务的响应比，选最高的执行。
• 应用场景：批处理系统（比如后台任务调度）。
• 是否可抢占：非抢占式（任务开始后不打断）。
• 优缺点：
  ✅ 既照顾短任务，又不让长任务饿死
  ❌ 每次调度都要计算响应比，有点麻烦
• 会饿吗？：不会（等待时间越长，响应比越高，迟早会被处理）。

（四）公平至上：时间片轮转（RR）

• 核心思想：把CPU时间切成小块（时间片，比如10毫秒），每个任务轮流执行一个时间片。
• 规则：任务执行到时间片结束就强制暂停，轮到下一个任务（抢占式）。
• 应用场景：交互式系统（比如Windows、Linux的桌面任务调度）。
• 是否可抢占：强制抢占式（时间一到必须让开）。
• 优缺点：
  ✅ 保证每个任务都能及时得到响应（比如打字时不会卡太久）
  ❌ 时间片设置不当会影响效率（太小导致频繁切换，太大变成FCFS）
• 会饿吗？：不会（轮流执行，绝对公平）。

（五）优先级控场：优先级调度

• 核心思想：给每个任务定优先级，优先处理高优先级任务。
• 规则：分为两种模式：
  • 静态优先级：任务创建时定好优先级（比如系统任务永远比用户任务优先级高）
  • 动态优先级：根据运行情况调整（比如长时间没执行的任务，优先级慢慢升高）
• 是否可抢占：可抢占或非抢占式（看系统设计，比如手机系统会优先处理来电事件）。
• 优缺点：
  ✅ 能保证关键任务优先执行（比如杀毒软件扫描时优先处理病毒检测）
  ❌ 静态优先级可能导致低优先级任务饥饿
• 会饿吗？：静态优先级会！动态优先级可避免。

（六）终极优化：多级反馈队列

• 核心思想：把任务分成多个队列，按优先级排队，不同队列用不同调度规则。
  🌰 比如：
  第1队列（高优先级）：时间片轮转（10ms），处理交互式任务（如鼠标点击）
  第2队列（中优先级）：时间片轮转（20ms），处理普通程序
  第3队列（低优先级）：SJF，处理后台批量任务（如下载、备份）
• 规则：
  1. 新任务先进入最高优先级队列
  2. 每个队列时间片用完后，任务降级到下一级队列
  3. 高优先级队列空了，才处理低优先级队列
• 应用场景：现代操作系统（如Linux的CFS调度器就是多级反馈的变种）。
• 优缺点：
  ✅ 兼顾公平性、响应速度和效率
  ❌ 队列和时间片参数配置复杂
• 会饿吗？：不会（任务最多降到最低队列，总会被处理）。

三、从单机到多核：多处理机调度的新挑战

（一）多处理机调度是什么？

当计算机有多个CPU（或多核CPU）时，需要决定哪个任务分配到哪个CPU上执行，就像工厂里多个工人同时干活，如何分配任务让大家都不闲着。

（二）单机vs多核调度的区别

对比项	单处理机（1个CPU）	多处理机（多个CPU）
任务分配	只决定执行顺序	既要决定顺序，又要分配到哪个CPU
核心目标	减少任务等待时间	让所有CPU负载均衡（别有的忙死有的闲死）
特殊问题	无	任务在不同CPU间迁移会影响效率（因为CPU缓存数据可能丢失）

（三）多核调度的两大关键

1. 负载均衡：
   让每个CPU的任务量尽量平均。
   🌰 比如3个CPU，别让2个满负荷运行，第3个空闲。
   实现方法：定期检查各CPU的任务队列，把多的任务"搬"到少的CPU上。

2. 处理机亲和性：
   让任务尽量固定在一个CPU上执行（利用CPU缓存）。
   🌰 比如你经常用某台打印机，下次直接去那台打印机的队列，不用重新找位置，速度更快。
   但如果某个CPU太忙，也会打破亲和性，把任务迁移到其他CPU（在效率和负载间找平衡）。

四、总结

1. 单机调度进化逻辑：
   从最简单的先来先服务（FCFS），到追求效率的短作业优先（SJF），发现长任务会饿死，于是用高响应比（HRRN）平衡；交互式场景需要公平，就有时间片轮转（RR）；关键任务要优先，加优先级调度；最后用多级反馈队列（MFQ）综合所有优点。

2. 多核调度核心目标：
   不再只关注单个CPU的效率，而是让多个CPU一起高效工作，重点解决"任务怎么分"（负载均衡）和"怎么分更高效"（处理机亲和性）。

3. 一句话总结：
   调度算法没有"最好"，只有"最合适"——根据场景选规则：

   • 批处理任务（如后台计算）：优先选SJF/HRRN
   • 桌面交互（如看视频+打字）：用时间片轮转+优先级调度
   • 多核服务器：重点做负载均衡，兼顾亲和性

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以上就是对本次关于操作系统博客内容的总结，后续我们将深入探讨操作系统更多知识。

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