操作系统 进程（3）进程调度算法
目标问题：
“系统如何决定下一个运行的进程是谁？”
学习重点：
-
调度的三种场景（抢占式 / 非抢占式 / 实时）
-
各种经典算法：
- FCFS（先来先服务）
- SJF（短作业优先）
- RR（时间片轮转）
- 优先级调度
- 多级反馈队列（MLFQ）
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性能指标：吞吐量、周转时间、响应时间
📘 建议练习：
手算一组进程调度表（5个进程，分别有不同的到达时间与运行时间），模拟RR和SJF结果并比较。
🧩 一、调度的基本概念
操作系统中，CPU 同时面对多个「就绪态」的进程。
这时就需要“调度器（Scheduler）”来挑选一个进程分配 CPU。
调度发生的时机主要有三种：
| 场景 | 举例 | 是否允许“打断”正在运行的进程 |
|---|---|---|
| 非抢占式调度 | 一个进程执行完或主动阻塞（如I/O）后，系统才挑下一个 | ❌ 不允许打断 |
| 抢占式调度 | 系统根据规则（如时间片耗尽或更高优先级出现）强制切换 | ✅ 允许打断 |
| 实时调度 | 某些任务有严格时间要求（如心跳监控、传感器读数） | ✅ 必须保障响应时间 |
⚙️ 二、经典调度算法
1️⃣ FCFS（First Come First Serve，先来先服务）
特点：
- 谁先进入就绪队列，谁先执行。
- 非抢占式。
- 简单，但可能导致“长作业拖慢短作业”（队头阻塞问题）。
示例：
| 进程 | 到达时间 | 运行时间 |
|---|---|---|
| P1 | 0 | 6 |
| P2 | 2 | 4 |
| P3 | 4 | 2 |
🧮 调度顺序：P1 → P2 → P3
- P1: 0-6
- P2: 6-10
- P3: 10-12
平均周转时间 = (6 + 8 + 8)/3 = 7.33
缺点：后面的小进程要等前面的大进程。
2️⃣ SJF（Shortest Job First，短作业优先）
特点：
- 谁的执行时间最短，谁先执行。
- 非抢占式（基本版本）。
- 理论上平均等待时间最短，但需要预知执行时间（难点！）。
同样的数据：
| 进程 | 到达时间 | 运行时间 |
|---|---|---|
| P1 | 0 | 6 |
| P2 | 2 | 4 |
| P3 | 4 | 2 |
🧮 调度顺序：P1(0-6)，P3(6-8)，P2(8-12)
平均周转时间 = (6 + 10 + 4)/3 = 6.67
比 FCFS 稍好，但不公平，可能饿死长作业。
3️⃣ RR（Round Robin，时间片轮转）
特点：
- 每个进程轮流获得固定 CPU 时间（时间片）。
- 若没执行完就让出 CPU，进入队列尾。
- 抢占式。
- 公平，适合交互式系统。
示例：
| 进程 | 到达时间 | 运行时间 |
|---|---|---|
| P1 | 0 | 5 |
| P2 | 1 | 3 |
| P3 | 2 | 1 |
时间片 = 2
🧮 调度过程：
时间轴：P1(0-2), P2(2-4), P3(4-5), P1(5-7), P2(7-8), P1(8-9)
→ 所有人都轮流执行
优点：响应快、公平
缺点：时间片太短则频繁切换（开销大）
4️⃣ 优先级调度（Priority Scheduling）
特点：
- 每个进程分配优先级（数值越高或越低越重要）。
- CPU 每次选择优先级最高的。
- 可抢占式，也可非抢占式。
- 缺点：低优先级可能长期得不到执行（饥饿问题）。
解决方法：
动态调整优先级（等待时间越久，优先级逐渐提升）。
5️⃣ 多级反馈队列（MLFQ）
💡 现代操作系统最常用算法！
思想：
- 综合了前面所有算法的优点；
- 动态地**“奖励短任务，惩罚长任务”**；
- CPU 不再固定给时间片，而是根据进程行为变化：
| 队列等级 | 时间片 | 调度规则 |
|---|---|---|
| Q1 | 8ms | 最高优先级，短任务快速响应 |
| Q2 | 16ms | 普通任务 |
| Q3 | 32ms | 长任务或后台任务 |
调度逻辑：
- 新进程 → 放入 Q1
- 若 Q1 时间片没执行完 → 降级到 Q2
- 若 Q2 仍没完 → 再降到 Q3
- 一旦 I/O 完成或长时间等待 → 优先级上升（防饿死）
🧠 核心思想：时间片可变 + 动态优先级调整
📊 三、性能指标
| 指标 | 含义 | 希望的方向 |
|---|---|---|
| 吞吐量 | 单位时间内完成的进程数 | 越高越好 |
| 周转时间 | 从提交到完成的时间 | 越短越好 |
| 等待时间 | 进程在就绪队列中等待的时间 | 越短越好 |
| 响应时间 | 第一次获得CPU的等待时间 | 越短越好 |