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计算机操作系统处理机调度（1）

news 来源：原创 2025/5/1 12:13:04

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第三章：处理机调度与死锁

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前言
一、作业和资源：
二、处理机调度的层次：
- 1.高级调度
- 2.初级调度
- 3.中级调度
三、作业调度算法举例：
总结

前言

在多道程序的环境下，内存中存在着多个进程，其数目往往多于处理机数目。（我们就以单核的CPU为例子，所以运行中的进程最多只能有一个，最少为0个）这就要求那个系统能够按照某种算法，动态地将处理机分配给处于就绪状态的一个进程，使之执行。分配处理机的任务是由处理机调度程序完成的。对于大型系统运行时的性能，如系统吞吐量，资源利用率，作业周转时间或响应的及时性等，在很大程度上都取决于处理机调度性能的好坏。因而，处理机调度便成为OS中至关重要的部分。所以下面我们将讲讲处理机调度是如何进行调度的，我将用通俗易懂的话带领大家走进CPU的世界。

在多道程序系统中，调度的实质是一种资源的分配，处理机调度是对处理机资源进行分配。处理机调度算法是根据处理及分配策略所规定的处理机分配算法。在多道批处理系统中，一个作业从提交到获得处理机执行，直至作业运行完毕，可能需要经历多级处理机调度，下面我们先来了解处理机调度的层次。

在此之前我想给大家补充点知识点：

一、作业和资源：

作业：是一个比程序更为广泛的概念，它不仅包含了通常的程序和数据，而且还应配有一份作业说明书，系统根据该说明书来对程序运行进行控制。在批处理系统中，是以作业为基本单位从外存调入内存的。

通俗易懂点来讲就是：

是用户在一次计算过程中，要求计算机系统所做工作的集合，包括程序、数据以及作业说明书等。例如，用户提交一个编译程序的任务，从源程序输入到编译出目标程序，这整个过程就是一个作业。

资源：是操作系统管理的各种硬件和软件要素，如 CPU、内存、外存、设备（打印机、磁盘等）、文件系统、网络连接等，是作业运行的物质基础。

管理方式

作业：操作系统通过作业调度来管理作业，根据一定的调度算法，将作业从后备状态调入内存执行，在作业运行结束后进行善后处理。
资源：对于不同类型的资源，操作系统有不同的管理策略。如对于 CPU，采用进程调度算法分配时间片；对于内存，通过内存分配算法为进程分配空间；对于设备，采用设备分配算法来决定哪个进程可以使用设备。
作用与生命周期
作业：是用户为完成特定任务而提交给系统的工作单元，其目的是让计算机完成用户指定的任务，作业从提交到完成是一个完整的生命周期。
资源：是为作业的运行提供支持和保障的，资源可以被多个作业共享和复用，其生命周期通常与操作系统的运行周期相关，只要操作系统在运行，资源就处于可被分配和使用的状态。

二、处理机调度的层次：

1.高级调度：

高级调度又称长程调度或作业调度，它的调度对象是作业（程序+数据+作业说明书）。其主要功能是根据某种算法，决定将外存上处于后备队列中的哪几个作业调入内存，为它们创建进程，分配必要的资源，并将它们放入就绪队列。高级调度主要用于多道批处理系统中，而在分时和实时系统中不设置高级调度。

2.低级调度：

低级调度又称为进程调度或短程调度，其所调度的对象是进程（或内核级线程）。其主要功能是，根据某种算法，决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机，并由分派程序的将处理机分配给被选中的进程。进程调度是最基本的一种调度，在多道批处理，分时和实时三种类型的OS中，都必须配置这级调度。

3. 中级调度：

中级调度又称为内存调度。引入中级调度的主要目的是，提高内存利用率和系统吞吐量。为此，应把那些暂时不能运行的进程，调至外存等待，此时进程的状态称为就绪驻外存状态（或挂起状态）。当他们已具备运行条件且内存又稍有空闲的时候，由中级调度来决定，把外存上的那些已具备运行条件的就绪进程再重新调入内存，并修改状态为就绪状态，挂在就绪队列上等待。中级调度实际上就是存储器管理中的对换功能，这个我们以后再说。

三、作业调度算法举例：

今天先给大家开个头，给大家讲讲我认为最应该注意细节的一个调度算法，因为我当时也是想了很长时间才明白

高相应比优先调度算法：

这种算法比较合理，既考虑了作业的等待时间，又考虑作业运行时间的调度算法，因此既照顾了短作业，又不致使长作业的等待时间过长，从而改善了处理机调度的性能。

这里面其实有的点我认为是很重要的

高相应比优先算法是如何实现的呢？如果我们能为每个作业引入一个动态的优先级，即优先级是可以改变的，令它随等待时间延长而增加，这将使得长作业的优先级在等待期间不断增加，等到足够的时间后，必然有机会获得处理机，该优先级的变化规律可描述为：

优先级 = （等待时间+要求服务时间）/要求服务时间

由于等待时间与服务时间之和就是系统对该作业的响应时间，故该优先级又相当于响应比Rp,据此，优先又可表示为：

Rp = （等待时间+要求服务时间）/要求服务时间 = 响应时间/要求服务时间

这里还有一点可以符合的是先来的等待时间长，谁先运行(FCFS);

我们举个简单的例子：

作业	提交时间	运行时间	开始时间	完成时间
A	0	3	0	3
B	2	6	3	9
C	4	4	9	13

在调度过程中，完成时间 ≠ 提交时间 + 运行时间，因为作业需要等待调度。完成时间实际上是开始时间 + 运行时间，而开始时间可能远晚于提交时间（由于等待）。

完成时间的真正含义

公式：
完成时间=开始执行时间+运行时间
- 开始执行时间：作业真正获得CPU开始运行的时间（可能因等待而延迟）。
- 运行时间：作业需要的CPU时间（固定不变）。
与提交时间的关系：
- 如果作业无需等待（立即执行），则：完成时间=提交时间+运行时间
- 如果作业需要等待，则：完成时间=提交时间+等待时间+运行时间

作业 A：
- 提交后立即执行（无等待），完成时间 = 0 + 3 = 3。
- 提交时间 + 运行时间 = 0 + 3 = 3，等于完成时间（无需等待的特殊情况）。
作业 B：
- 提交时间 2，但直到时间 3 才开始执行（等待了 1 单位时间）。
- 完成时间 = 开始时间 3 + 运行时间 6 = 9。
- 提交时间 + 运行时间 = 2 + 6 = 8，但实际完成时间是 9（因等待了 1 单位时间）。
作业 C：
- 提交时间 4，直到时间 9 才开始执行（等待了 5 单位时间）。
- 完成时间 = 开始时间 9 + 运行时间 4 = 13。
- 提交时间 + 运行时间 = 4 + 4 = 8，但实际完成时间是 13（等待了 5 单位时间）。

响应比的分子与周转时间的关系

响应比的分子：
响应比=1+运行时间当前等待时间
- 当前等待时间：调度时刻的等待时间（从提交到调度时刻的时间）。
- 注意：这是作业在调度决策时的等待时间，而非总等待时间。
周转时间的分子：
周转时间=完成时间−提交时间=运行时间+总等待时间
- 总等待时间：从提交到开始执行的时间（即最终确定的等待时间）。

例子中的具体数值

作业 B 的响应比（时间 3 时调度）：
- 当前等待时间 = 3（调度时间） - 2（提交时间） = 1。
- 响应比 = 1 + 1/6 ≈ 1.17。
作业 B 的周转时间：
- 完成时间 9 - 提交时间 2 = 7。
- 总等待时间 = 7（周转时间） - 6（运行时间） = 1。
- 与响应比的分子一致：这里的总等待时间（1）等于调度时的当前等待时间（1）。
作业 C 的响应比（时间 9 时调度）：
- 当前等待时间 = 9（调度时间） - 4（提交时间） = 5。
- 响应比 = 1 + 5/4 = 2.25。
作业 C 的周转时间：
- 完成时间 13 - 提交时间 4 = 9。
- 总等待时间 = 9（周转时间） - 4（运行时间） = 5。
- 与响应比的分子一致：总等待时间（5）等于调度时的当前等待时间（5）。