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  • 常见进程调度算法特点总结比较

    不同的CPU调度算法具有不同属性,且可能对某些进程更为有利。
    为了选择算法以适用于特定情况,必须分析各个算法的属性。为在不同算法之间进行比较,需要一些重要的评价指标,指标如下:

    • CPU使用率:需要使CPU尽可能忙,对真实系统,它应从40%到90%
    • 吞吐量:一个时间单元内所完成进程的数量
    • 周转时间:从进程提交到完成的时间间隔,是所有时间段之和,包括等待进入内存、在就绪队列中等待、在CPU上执行和I/O执行
    • 等待时间:进程在就绪队列中等待时间之和
    • 响应时间:从提交请求到产生第一响应时间

    人们需要使CPU使用率和吞吐量最大化,而使周转时间、等待时间和相应时间最小化。

    在绝大多数情况下,要优化平均度量值。不过,在有的情况下,需要优化最小值或最大值,而不是平均值。

    </
    属性 先到先服务 最短作业优先 高响应比优先 时间片轮转 多级反馈队列
    是否支持可抢占 队列内算法不确定
    是否支持不可抢占 队列内算法不确定
    优点 公平
    实现简单
    平均等待时间较少
    效率最高
    兼顾长短作业 兼顾长短作业 兼顾长短作业
    响应时间较理想
    可行性强
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  • 3、掌握进程调度算法。2、实验要求1、编写程序,模拟实现以下功能:创建新的进程;查看运行进程;查看就绪进程;查看阻塞进程;阻塞某个进程;显示全部进程;唤醒进程;撤销进程。2、在以上程序的基础上,创建5-10个...

    实验一 进程控制与调度算法

    1、实验目的

    1、理解进程的概念,明确进程和程序的区别;

    2、掌握进程控制方法;

    3、掌握进程调度算法。

    2、实验要求

    1、编写程序,模拟实现以下功能:

    创建新的进程;查看运行进程;查看就绪进程;查看阻塞进程;阻塞某个进程;显示全部进程;唤醒进程;撤销进程。

    2、在以上程序的基础上,创建5-10个进程(进程数任选)。分别计算先来先服务调度算法、短进程优先调度算法、优先级调度算法、高响应比优先调度算法下进程的执行顺序,以及平均周转时间和平均带权周转时间。

    3、实验环境

    使用的是visual Studio2013,编程语言选用的是C语言。

    4、实验内容

    首先需要创建一个PCB的结构体。

    472.html

    然后根据PCB的结构体,编写创建进程的相关函数,并进行测试。

    472.html

    在创建进程的基础上,编写查看运行进程的相关函数等其他相关函数

    472.html

    然后在主函数中进行模拟测试,结果正确并且逻辑无问题,表示测试成功。

    然后编写先来先服务调度算法,首先会根据进程的到达时间,对进程进行排序

    然后再计算进程的开始运行时间、完成时间、周转时间、带权周转时间和进程的算法执行次序,还有平均周转时间和平均带权周转时间。

    然后对主函数进行了一些优化,变成了如下的选择模式:

    472.html

    在创建进程后,执行先来先服务FCFS算法,结果如下:

    472.html

    5、实验总结

    一开始不太懂如何去做,不停的去借鉴别人的代码,在CSDN上大概看了有十几个人的代码分享后,于是终于写出了自己的几百行代码。

    首先遇到的是VS2013执行C语言会出现闪退问题,于是引入了#include之后,在main函数的最后写入system("pause");将其解决。

    然后遇到的是scanf不安全的错误,也通过百度解决了

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  • CPU 调度 含义算法准则 含义 CPU 调度就是在就绪线程/进程队列中选择一个合适的线程/进程,...CPU 调度是一个没有对错的算法,只要从就绪队列中选择出来一个任务就是正确的调度算法 CPU 调度只有好坏之分,即给出的

    CPU 调度

    含义与算法准则

    含义

    • CPU 调度就是在就绪线程/进程队列中选择一个合适的线程/进程,再通过切换机制将 CPU 资源分配给选择出来的线程/进程。
    • 如果操作系统支持线程,线程是 CPU 调度的基本单位,否则进程就是 CPU 调度的基本单位。

    准则

    • CPU 调度的关键在于如何确定哪一个任务更合适
      • 是目前为止最先来的任务呢?
      • 还是在其他特性上满足一定条件的后到任务?
    • CPU 调度是一个没有对错的算法,只要从就绪队列中选择出来一个任务就是正确的调度算法
      • CPU 调度只有好坏之分,即给出的调度选择是否更加合适。
      • 要确定“是否更加合适?”,就要定义出一个标准来度量调度算法的“合适性”。因此,要想设计、实现出好的 CPU 调度算法,首先需要定义明确的算法度量标准。
    • 不同场景下的操作系统任务调度,调度策略的目标不同,调度算法的设计和实现原则也不同。
      • 因此没有必要追求“尽量多地学习各种具体的 CPU 调度策略”,而应该学会针对一种工作场景能深入分析,设计出合适的 CPU 调度算法,并能在遇到其它具体工作场景时做到举一反三。

    PC 机上的任务调度策略主要考虑如下三个基本准则:

    • 任务的周转时间,是任务从新建进入操作系统到该任务完成离开操作系统所经历的全部时间。
    • 任务的响应时间,是从用户向某程序发起一个交互操作到该任务响应这个操作之间经历的时间,例如从点击菜单到菜单弹出的这段时间。
    • 系统吞吐量,是一段时间区域内计算机系统能完成的任务总数。

    交互式任务和非交互式任务

    • 在 PC 机上,交互式任务和非交互式同时存在,而且这两种任务有各自的目标
      • 交互式任务不关心周转时间,强调响应时间;
      • 非交互式任务关心周转时间,在执行过程中无需交互。
    • 这两个目标背后存在着一定的矛盾,是不可能同时优化的
      • 例如为了提高交互式任务的响应时间,就要提高这些任务的优先级,这会导致非交互任务得到的 CPU 资源少,其周转时间必然要增多,等等。
    • 在两类任务同时存在的背景下,给出能有效折中的任务调度策略就成为通用操作系统在实现 CPU 调度时要分析的核心问题

    若干基本算法

    1、 先来先服务调度,FCFS

    • 先来先服务调度(First Come, First Served,简称 FCFS),算法非常简单,就是选择就绪队列头部的那个任务调度执行。
    • 这个算法除了简单、易于实现以外,还有一个重要特性 公平
      • 绝对公平地对待所有任务导致 FCFS 算法无法利用任务特征实现任务调度的整体优化
      • 例如对于一个简单询问的银行业务,可让其优先执行,这会让所有任务的平均周转时间变短。
    • 提供绝对公平是没有必要的,而通过适当改变任务的调度顺序来实现多个任务的总体优化,如最小化平均周转时间是很有意义的。
      • 让一个任务执行时间短的任务 短作业提前执行,那么这个任务后面的其它任务就有可能早一点开始执行,当然其周转时间会变小,将这个思想一般化以后就是短作业优先调度算法。

    2、短作业优先调度,SJF

    • 短作业优先调度(Shortest Job First,简称 SJF)的算法思想也很简单,就是按照任务的执行时间从小到大排序,任务按照这个顺序依次调度执行。
    • 在实际环境中,任务不可能一下子都出现在零时刻,所以短作业优先调度只具有理论意义。实际环境中可以工作的是剩余短作业优先调度算法(Shortest Remaining Time First,简称 SRTF)。
      • 每次新任务到达时,选择当前剩余执行时间最短的那个任务调度执行
      • SRTF 调度是一种可抢占式调度,即不是由于任务自身主动让出 CPU才引起的调度;也不是发生诸如当前任务结束、当前任务阻塞时间才引起的调度。只要有新任务出现,就有可能出现这个任务抢占当前任务的 CPU

    3、轮转调度,RR

    • 在通用操作系统中,除了非交互式任务以外,也存在交互式任务

      • 在 SRTF 中,任何任务要等到前面的任务全部执行完成以后才被调度,所以最差的用户响应时间就可能很大。

      • 而且真正实现 SRTF 算法,需要知道“任务执行时间”这个参数。任务执行时间是任务得到 CPU 以后将会执行的时间长度,只有任务执行完成以后才能知道。所以 SRTF 所需参数“任务执行时间”是不可能准确已知的,最多只能近似。

    • 时间片轮转调度(Round Robin,简称 RR)的基本思想:

      • 将一段时间等分的分割给每个任务,即给每个分配一个执行时间片,当前任务的时间片用完时就切换到下一个任务,下一个任务的时间片用完时再切换,这样一段时间内让所有任务都有机会向前运行。
      • RR 调度时的用户响应时间(Response Time,简称 RT)满足条件:RT ≤ N × τ
      • 可以保证用户响应时间的上界。比如规定一个操作系统中最多可创建 100 个任务,并且想让最大响应时间保证在 1 秒内(1 秒内的响应延迟用户几乎觉察不到),则 τ ≤ 1s/100 ≤ 0.01s ≤ 10ms。
      • 通过对操作系统参数的合理设计,RR 调度算法可以保证用户的响应时间,因此 RR 是交互式任务调度的解决方案。

    4、多级队列调度

    • 如何组合 RR 和 SRTF 来处理交互任务和非交互任务同时存在的情况
      • 引入两个就绪队列,交互任务队列和非交互任务队列,由于任务是和用户进行交互,所以该任务队列通常也被称为是前台任务队列,相应的非交互任务队列被称为是后台任务队列。
      • 两个队列分别采用两个不同的调度策略:前台队列采用 RR 调度,后台队列采用 SRTF 调度。
    • 还需要定义各级任务队列之间之间的关系,常用的方式是定义一个优先关系
      • 通常让前台队列具有更高的优先级,即如果前台队列中存在就绪任务,就一直采用 RR 调度处理这个队列中的任务。

    5、多级反馈队列调度

    • 第一个问题:多级队列调度,不能造成的饥饿

      • 如果采用非抢占式调用,此时一旦后台任务调度得到CPU,就只能等到执行完后才能释放 CPU,这段时间到达的前台任务其最差响应时间就可能很长。
        • 而如果采用抢占式调度,即只要有前台任务出现,就必须切换到前台任务队列,而且要一直等到前台队列中没有任务才能调度到后台队列
      • 解决这个两难问题的方法是:即使有前台任务后台任务也能调度到 CPU,但又不能等待后台任务执行完成才让出 CPU
    • 第二个问题:前台任务和后台任务区分

      • 如何知道哪些任务是前台任务,哪些任务是后台任务
        • 另外前后台任务也不是一成不变的,一个编辑文本的任务看起来是前台任务,但文本编辑器执行文本检查时还算是前台任务吗?编译任务看起来是后台任务,但是在编译过程中用 CTRL+C 中断编译过程难道就不算是用户交互吗?
      • 所以多级队列调度中的任务类型不应该是在任务创建时就固定下来的,应该能根据任务在执行过程的具体表现而动态调整
    • 因此,如何动态调整就成为多级反馈队列调度的核心。比较容易想到的动态调整方案有按照 I/O 动态调整按照执行时长动态调整

      • 按 I/O 动态调整的方案可以近似解决前台任务识别的问题,因为交互的含义就是“和用户通过 I/O 进行交互”。
        • 如果一个任务最近一段时间发生了 I/O,根据局部性原理,最近发生了 I/O,接下来也很可能会发生 I/O,这个任务将要表现出交互式任务的特征,可以认为该任务是前台任务,将其放在高优先级队列中
        • 如何识别发生了 I/O 动作呢?一个简单而可行的方法是记录阻塞态,因为发生 I/O 动作通常总会引起进程阻塞。
      • 按照执行时长进行调整,具体来说,如果一个任务在执行完一个时间片以后仍然要继续执行,说明该任务最近没有发生 I/O 操作,也没有执行完成。
        • “没发生 I/O 操作”可以近似认定这个任务是一个非交互任务
        • “没执行完成”可以近似认定这个是一个长作业,此时就将这个任务的优先级降低。
    • 总的来说,多级反馈队列调度:

      • (1)有效地综合了交互式任务的调度和非交互式任务的调度;
        • (2)针对任务周转时间进行了适当优化;
      • (3)任务的响应时间可以保证在一个用户可以接受的范围内;
      • (4)在实际环境中可行,不需要用户定义任务的种类,不需要输入任务时长等苛刻的参数。因此多级反馈队列调度比较适合在 PC 等机器上的通用操作系统上工作

      在这里插入图片描述

    多级反馈队列实现

    在这个 schedule() 函数中,针对每个任务只用维护一个 counter 变量,而不用维护多个队列,算法很简单,可以高效地的执行。

    void Schedule(void)
    {
        while(1)
        {
            c=-1; next=0; i=NR_TASKS;
            p=&task[NR_TASKS];
            // 遍历所有 task
            while(--i)
            {
                // 每次调度都要从就绪队列中找到 counter 值最大的那个任务,一旦找到就切换到那个任务。
                if((*p->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter>c)
                	c=(*p)->counter, next=i;
            }
            // 如果找到就推出       
            if(c) break;
                   
            for(p=&LAST_TASK; p>&FIRST_TASK; -–p)
                // 如果是时间片用完的任务,其时间片会被重置为 priority。
                // 而对于阻塞任务,阻塞时其 counter 必定大于 0,所以阻塞以后的任务经过 
                //   (*p)->counter=((*p)->counter»1)+(*p)->priority 调整以后,其 counter 必然大于 priority
                //   即:阻塞任务的优先级一定会大于那些没有经过阻塞的任务,实现了“交互式前台任务的优先级更高”
            	(*p)->counter=((*p)->counter»1)+(*p)->priority;
        }
        switch_to(next);
    }
    

    控制这个调度算法的关键是 counter 变量,

    • counter 的第一个作用是时间片
      • 因为 counter 还要出现在另一个地方 时钟中断中,时钟中断(在该计算机系统中对应 0x20 号中断)的处理函数被初始化为 set_intr_gate(0x20, &timer_interrupt
      • 每次时钟中断,timer_interrupt 都会将当前任务的 counter 减 1,如果当前任务的 counter 被减为0,就调用 schedule() 函数进行线程切换,if((–current->counter == 0) schedule();
    • counter 还有另外一个作用,那就是任务的优先级,
      • counter 最大,对应的任务优先级就最大,这是多级反馈队列调度的另一个基础 优先队列。

    充当优先级的 counter 在动态调整时仍然能完成时间片目标

    • 因为必须经过一个完整的轮转周期之后,才会给所有任务一起重新计算优先级
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  • 韦良芬摘要:本文把案例教学方法应用在操作系统作业调度算法中,并对常用作业调度算法中的先来先服务调度算法、短作业优先调度算法和最高响应比优先调度算法以案例的形式做了对比,并对这三种算法进行了分析和评价。...

    梅莹莹 韦良芬

    924de0016dbc42794a46b010ba41ad11.png

    摘要:本文把案例教学方法应用在操作系统作业调度算法中,并对常用作业调度算法中的先来先服务调度算法、短作业优先调度算法和最高响应比优先调度算法以案例的形式做了对比,并对这三种算法进行了分析和评价。此教学方法把抽象的内容融入案例中,循序渐进、能够有效地调动学生的学习积极性和学习的主动性及热情。

    关键词:操作系统;作业调度;最高响应比

    中图分类号:TN402       文献标识码:A

    文章编号:1009-3044(2019)18-0269-02

    Abstract: This paper applies the case teaching method to the operating system job scheduling algorithm, and compares the first-come-first service scheduling algorithm, the short job priority scheduling algorithm and the highest response ratio priority scheduling algorithm in the common job scheduling algorithm. And the three algorithms were analyzed and evaluated. This teaching method integrates the abstract content into the case, step by step, and can effectively mobilize the students' enthusiasm for learning and the initiative and enthusiasm of learning.

    Key words: operating system; job scheduling; highest response ratio

    1 引言

    “操作系統”这门课程属于理论性强,十分抽象,知识点琐碎,不好理解的一门计算机专业的专业课程。学生学习起来枯燥,老师讲解也增加了难度。如何提高学生的学习兴趣,激发学生的学习热情,使学生能更好地掌握这门课程成为各大学校老师们关注的问题。本文以案例的方式讲授作业调度,使学生能够直观的理解作业调度算法。常见的作业调度算法有:先来先服务调度算法(FCFS)、多作业优先调度算法(SJF)和最高响应比优先调度算法(HRRN)。

    2 作业调度的主要任务

    作业调度就是按一定的算法从后备队列中选择一个作业送入内存执行,并在作业完成后处理善后工作的过程。作业调度的工作主要由作业调度程序来完成。作业调度的任务有:

    1)记录进入系统的各个作业情况,作业一旦进入系统,系统即为该作业分配作业控制块JCB。

    2)从后备作业中挑选一些作业投入运行。一般而论,系统中后备状态作业较多,而在CPU中运行的不能很多,这就要求作业调度程序必须按规定的调度策略来选择若干作业进入运行状态。

    3)为选中的作业做执行准备。作业从后备状态进入执行状态,需要建立相应的进程,分配进程所需的内存资源、外设资源,这些都交给调度程序。

    4)善后工作处理。当作业因某种原因退出或执行完毕后,作业调度程序回收作业原先占用的资源,撤销进程及JCB,并输出结果。

    3 常用作业调度算法

    (1)FCFS算法

    FCFS是最简单的调度算法,每次从就绪的队列中选择一个最先进入该队列的进程,分配处理机,运行进程。该进程直到运行完成或者阻塞,才让出处理机为其他进程服务。

    (2)SJF 算法

    该算法以作业运行时间为衡量标准,从所有作业中选取一个运行时间最短的作业,优先为它们创建进程和分配资源。

    (3)HRRN算法

    HRRN算法是FCFS和SJF的结合,克服了两种算法的缺点,该算法既考虑了作业的等待时间,又考虑了作业的运行时间。

    周转时间=完成时间—提交时间带权周转时间=周转时间/运行时间响应比=(作业等待时间+作业运行时间)/作业运行时间=1+作业的等待时间/作业运行时间

    4 三种算法案例对比

    假设在单CPU环境下,作业提交时间及运行时间情况如下表所示:

    [作业号 提交时间 运行时间(h) J1 1:00 2 J2 2:00 1.5 J3 2:30 0.5 J4 3:00 1 ]

    (1) FCFS算法作业执行情况

    [作业号 提交时间 运行时间(h) 开始时间 完成时间 周转时间(h) 带权周转时间 J1 1:00 2.0 1:00 3:00 2 1 J2 2:00 1.5 3:00 4:30 2.5 5/3 J3 2:30 0.5 4:30 5:00 2.5 5 J4 3:00 1.0 5:00 6:00 3.0 3 运行先后次序 1 2 3 4 平均周转时间T (2+2.5+2.5+3.0)/4=2.5 平均带权周转时间W (1+5/3+5+3)/4≈2.67 ]

    当时间在1:00时,仅有作业1运行。当作业1在3:00时刻运行结束,此时,作业2、3、4全部到达内存,按照先来后到的原则,所以作业的运行次序为1、2、3、4。

    (2) SJF算法执行情况

    [作业号 提交时间 运行时间(h) 开始时间 完成时间 周转时间(h) 带权周转时间 J1 1:00 2.0 1:00 3:00 2 1 J2 2:00 1.5 4:30 6:00 4 8/3 J3 2:30 0.5 3:00 3:30 1 2 J4 3:00 1.0 3:30 4:30 1.5 1.5 运行先后次序 1 3 4 2 平均周转时间T (2+4+1+1.5)/4=2.125 平均带权周转时间W (1+8/3+2+1.5)/4≈1.79 ]

    当时间在1:00时,仅有作业1运行。当作业1在3:00时刻运行结束,此时,作业2、3、4全部到达内存,按照短作业优先调度算法,由于作业3的运行时间最短,所以优先运行作业3,然后运行作业4和作业2。所以作业的运行次序为1、3、4、2。

    (3) HRRN算法执行情况

    5 三种算法性能评价

    1)从实例分析来看FCFS算法,实现较为简单,但是只考虑了长作业,没有考虑短作业,此算法不利于短作业的运行。

    2)同FCFS算法相比,SJF算法也易于实现,强调了资源的充分利用,保证了系统的最大吞吐量(单位时间里处理作业的个数),具有较短的平均周转时间和平均带权周转时间。但该算法对长作业不利,长作业往往得不到及时处理。

    3)HRRN算法结合了FCFS算法和SJF算法,相对公平,系统的吞吐率增大。从实例中可以看出:

    (1)如果作业的等待时间相同,则作业估计运行的时间愈短,其优先权愈高,因而该算法有利于短作业;

    (2)当作业估计运行时间相同时,作业的优先权决定于其等待时间,因而实现了先来先服务;

    (3)对于长作业,当其等待时间足够长时,其优先权便可升到很高,从而也可获得处理机,从而也避免了长作业长期等待这种现象的发生。

    但HRRN算法每次都要计算作业的响应比,所以增大了系统的开销。

    6 结语

    对于讲授操作系统课程的老师来说,这种讲授方法言簡意赅,对于操作系统的学习者来说,采用案例的方式,把抽象的内容融入案例中,循序渐进、调动学生的学习积极性和学习的主动性及热情,实践表明此方法教学效果良好,深得学生好评。

    参考文献:

    [1]汤小丹等.计算机操作系统(第4版)[M].西安:西安电子科技大学出版社,2014:95-98.

    [2]张尧学,史美林.计算机操作系统教程[M].北京:清华大学出版社,1993:83-87.

    [3] 汤敏丽.  “互联网+”环境下的《操作系统》课程教学改革探索——以凯里学院为例[J]. 凯里学院学报,2017(06).

    [4] 余久久.  基于MOOC的“软件工程”自主学习系统的设计与实现[J].西昌学院学报(自然科学版),2016(04).

    【通联编辑:王力】

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  • 探索CPU的调度原理

    2021-07-27 02:40:04
    前言 软件工程师们总习惯把OS(Operating System,操作系统)当成是一个非常值得信赖的管家,我们只管把程序托管到OS上运行,却很少深入了解操作系统的运行原理。确实,OS作为一个通用的软件系统,在...说起CPU的调度
  • 数据库实现原理

    2021-08-16 19:58:53
    1、因为数据是有序的,所以合并的效率特别高 我把《算法导论》中归并排序的merge实现放在此处。有兴趣的朋友可以看下。 2、因为数据是有序的,可以不用将索引数据全部都存储在索引中。也就是存储一部分索引就可以了...
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空空如也

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常见进程调度算法分析与实现