操作系統(tǒng)論文-處理機(jī)調(diào)度技術(shù)探討

處理機(jī)調(diào)度技術(shù)探討轉(zhuǎn)眼間《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》這門課程已經(jīng)結(jié)束了，通過這門課的學(xué)習(xí)，我的處理機(jī)的調(diào)度技術(shù)有了一定的了解。處理機(jī)調(diào)度算法對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)有重要影響。一、處理機(jī)調(diào)度的三個(gè)層次可把處理機(jī)調(diào)度分成三個(gè)層次：高級(jí)調(diào)度、中級(jí)調(diào)度、低級(jí)調(diào)度。由于處理機(jī)調(diào)度程序不可能選擇全部駐留在外存的進(jìn)程，因此，在調(diào)度一個(gè)進(jìn)程占有處理機(jī)之前，系統(tǒng)必須按某種策略把外存中處于后備狀態(tài)的作業(yè)選擇出來，并創(chuàng)建進(jìn)程和分配內(nèi)存，為進(jìn)程執(zhí)行準(zhǔn)備必需的資源。這一步稱為作業(yè)調(diào)度或高級(jí)調(diào)度。除了作業(yè)調(diào)度之外，還有一種稱為交換調(diào)度的中級(jí)調(diào)度。在有的系統(tǒng)中，把那些處于等待狀態(tài)或就緒狀態(tài)的進(jìn)程換出內(nèi)存，而把那些等待事件已經(jīng)發(fā)生或已在外存交換區(qū)中等待了較長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)程換入內(nèi)存。只有在進(jìn)程被建立起來并且已獲得足夠的資源之后，系統(tǒng)才使用進(jìn)程調(diào)度策略把處理機(jī)分配給選出進(jìn)程。因此，處理機(jī)的調(diào)度涉及到三個(gè)層次的調(diào)度。進(jìn)程調(diào)度的主要任務(wù)是選擇一個(gè)合適的進(jìn)程占據(jù)處理機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)的要求不一樣進(jìn)程調(diào)度方法變化較大。比較常用的有RR(輪轉(zhuǎn))法、FCFS(先來先服務(wù))法、優(yōu)先級(jí)法和SRR(線性優(yōu)先級(jí))法等。其中輪轉(zhuǎn)法主要用于分時(shí)系統(tǒng)，它具有較好的響應(yīng)時(shí)間，且對(duì)每個(gè)進(jìn)程來說都具有較好的公平性。FCFS法不利于執(zhí)行時(shí)間短的進(jìn)程，而SRR法則是介于FCFS法和RR法之間的一種進(jìn)程調(diào)度方法。二、處理機(jī)調(diào)度的功能一般情況下，當(dāng)占用處理機(jī)的進(jìn)程因?yàn)槟撤N請(qǐng)求得不到滿足而不得不放棄CPU進(jìn)入等待狀態(tài)時(shí)，或者當(dāng)時(shí)間片到，系統(tǒng)不得不將CPU分配給就緒隊(duì)列中另一進(jìn)程的時(shí)候，都要引起處理機(jī)調(diào)度。除此之外，進(jìn)程正常結(jié)束、中斷處理等也可能引起處理機(jī)的調(diào)度。因此，處理機(jī)調(diào)度是操作系統(tǒng)核心的重要組成部分，它的主要功能如下：（1）記住進(jìn)程的狀態(tài)，如進(jìn)程名稱、指令計(jì)數(shù)器、程序狀態(tài)寄存器以及所有通用寄存器等現(xiàn)場(chǎng)信息，將這些信息記錄在相應(yīng)的進(jìn)程控制塊中。（2）根據(jù)一定的算法，決定哪個(gè)進(jìn)程能獲得處理機(jī)，以及占用多長(zhǎng)時(shí)間。（3）收回處理機(jī)，即正在執(zhí)行的進(jìn)程因?yàn)闀r(shí)間片用完或因?yàn)槟撤N原因不能再執(zhí)行的時(shí)候，保存該進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)，并收回處理機(jī)。處理機(jī)調(diào)度的功能中，很重要的一項(xiàng)就是根據(jù)一定算法，從就緒隊(duì)列中選出一個(gè)進(jìn)程占用CPU運(yùn)行?？梢?，算法是處理機(jī)調(diào)度的關(guān)鍵。三、處理機(jī)調(diào)度算法（1）先來先服調(diào)度算法（FIFO）這是最簡(jiǎn)單的處理機(jī)調(diào)度算法，其基本思想是按照進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列的先后順序調(diào)度并分配處理機(jī)執(zhí)行。先來先服務(wù)調(diào)度算法是一種不可搶占的算法，先進(jìn)入就緒隊(duì)列的進(jìn)程，先分配處理機(jī)運(yùn)行。一旦一個(gè)進(jìn)程占有了處理機(jī)，它就一直運(yùn)行下去，直到該進(jìn)程完成工作或者因?yàn)榈却呈录l(fā)生而不能繼續(xù)運(yùn)行時(shí)才釋放處理機(jī)。從表面上看，F(xiàn)IFO算法對(duì)所有作業(yè)都是公平的，并且一個(gè)作業(yè)的等待時(shí)間是可能預(yù)先估計(jì)的。但實(shí)際上這種算法是不利于小作業(yè)的，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)大作業(yè)先進(jìn)入就緒隊(duì)列時(shí)，就會(huì)使其后的許多小作業(yè)等待很長(zhǎng)的時(shí)間。這對(duì)小作業(yè)來說，等待時(shí)間可能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出它運(yùn)行的時(shí)間。先來先服算法簡(jiǎn)單，易于程序?qū)崿F(xiàn)，但它性能較差，在實(shí)際運(yùn)行的操作系統(tǒng)中，很少單獨(dú)使用，它常常配合其他調(diào)度算法一起使用。（2）時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法（RR）時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法的基本思想是：對(duì)就緒隊(duì)列中的每一進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，時(shí)間片的長(zhǎng)度q一般從10ms-1100ms不等。把就緒隊(duì)列看成是一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，調(diào)度程序按時(shí)間片長(zhǎng)度q輪流調(diào)度就緒隊(duì)列中的每一進(jìn)程，使每一進(jìn)程都有機(jī)會(huì)獲得相同長(zhǎng)度的時(shí)間占用處理機(jī)運(yùn)行。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法在分時(shí)系統(tǒng)中，是一種既簡(jiǎn)單又有效的調(diào)度策略。一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)有許多終端。終端用戶在各自的終端設(shè)備上同時(shí)使用計(jì)算機(jī)。如果某個(gè)終端用戶的程序長(zhǎng)時(shí)間地占用處理機(jī)，那么其他終端用戶的請(qǐng)求就不能得到即時(shí)相應(yīng)。一般說來，終端用戶提出請(qǐng)求后，能在幾秒鐘內(nèi)得到響應(yīng)也就感到滿意了。采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法，可以使系統(tǒng)即時(shí)地相應(yīng)各終端用戶的請(qǐng)求。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法的性能極大的依賴于時(shí)間片長(zhǎng)度q的取值，如果時(shí)間片過大。則RR算法就退化為FIFO算法了；反之，如果時(shí)間片過小，那么，處理機(jī)在各進(jìn)程之間頻繁轉(zhuǎn)接，處理機(jī)時(shí)間開銷變得很大，而提供給用戶程序的時(shí)間將大大減少。（3）優(yōu)先級(jí)法優(yōu)先數(shù)法的基本思想是：對(duì)就緒隊(duì)列中的每個(gè)進(jìn)程，首先按某種原則定義一個(gè)優(yōu)先數(shù)來表示它，處理機(jī)調(diào)度時(shí)，每次選擇就緒隊(duì)列中優(yōu)先數(shù)最大者（也可規(guī)定優(yōu)先數(shù)愈小，其優(yōu)先權(quán)愈高），讓它占用處理機(jī)運(yùn)行。確定優(yōu)先數(shù)一般可以有以下幾種考慮：頻繁使用外部輸入、輸出設(shè)備的進(jìn)程優(yōu)先數(shù)大。這樣有利于提高CPU使用效率；重要程序的進(jìn)程優(yōu)先數(shù)大，怎樣有利于用戶靈活操作；進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間長(zhǎng)的進(jìn)程優(yōu)先數(shù)大，這樣有利于縮短作業(yè)的完成時(shí)間；交互式用戶作業(yè)進(jìn)程優(yōu)先數(shù)大，這樣有利于提高中斷響應(yīng)時(shí)間。優(yōu)先數(shù)的設(shè)置可以采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式。靜態(tài)設(shè)置方式就是指系統(tǒng)在建立一個(gè)進(jìn)程時(shí)，就按照某種原則為進(jìn)程制定一個(gè)優(yōu)先數(shù)，這個(gè)優(yōu)先數(shù)在進(jìn)程存在期間一直保持不變。而動(dòng)態(tài)設(shè)置方式是指系統(tǒng)在進(jìn)程存在期間經(jīng)常改變進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)，如何動(dòng)態(tài)的改變進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)，依賴于具體操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。四、處理機(jī)調(diào)度模型：1、僅有進(jìn)程調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型在分時(shí)系統(tǒng)中通常僅設(shè)置了進(jìn)程調(diào)度。此時(shí)系統(tǒng)有一個(gè)就緒隊(duì)列，每個(gè)進(jìn)程運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片，進(jìn)程運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片后如未完成，則被放在就緒隊(duì)列末尾。如進(jìn)程運(yùn)行中因等待某事件（例如申請(qǐng)I/O而等待I/O完成），則需排入阻塞隊(duì)列，系統(tǒng)因阻塞的原因不同可設(shè)幾個(gè)阻塞隊(duì)列。2、有進(jìn)程調(diào)度和中級(jí)調(diào)度隊(duì)列模型在具有虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)的分時(shí)系統(tǒng)中（例如UNIX系統(tǒng)等），一般采用具有進(jìn)程調(diào)度和中級(jí)調(diào)度的調(diào)度模型。在該模型中比第一種模型增加了中級(jí)調(diào)度，也增加了外存進(jìn)程就緒隊(duì)列和外存進(jìn)程阻塞隊(duì)列。中級(jí)調(diào)度時(shí)或從內(nèi)存就緒隊(duì)列調(diào)到外存的就緒隊(duì)列，或從內(nèi)存阻塞隊(duì)列調(diào)到外存阻塞隊(duì)列，或從外存進(jìn)程就緒隊(duì)列調(diào)到內(nèi)存就緒隊(duì)列。3、具有高級(jí)調(diào)度和低級(jí)調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型在多道批處理系統(tǒng)中，一般處理機(jī)管理設(shè)置作業(yè)和進(jìn)程兩級(jí)調(diào)度。它比第一個(gè)模型增加了高級(jí)調(diào)度。模型增加了在磁盤的作業(yè)后備隊(duì)列，作業(yè)調(diào)度的任務(wù)是從作業(yè)后備隊(duì)列中選一個(gè)作業(yè)為它創(chuàng)建至少一個(gè)進(jìn)程，并分配資源，將它排入內(nèi)存進(jìn)程就緒隊(duì)列末尾。4、同時(shí)具有三級(jí)調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型在通用系統(tǒng)的多模式OS中，一般采用具有三級(jí)調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型，由于多模式OS同時(shí)支持批處理、分時(shí)和實(shí)時(shí)處理，所以它必須具有以上模型，具有三級(jí)調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型是第二、三兩模型的綜合五、思考總結(jié)：高級(jí)調(diào)度的主要功能是根據(jù)一定的算法，從輸入的一批作業(yè)中選出若干個(gè)作業(yè)，分配必要的資源，如內(nèi)存、外設(shè)等，為它建立相應(yīng)的用戶作業(yè)進(jìn)程和為其服務(wù)的系統(tǒng)進(jìn)程（如輸入、輸出進(jìn)程），最后把它們的程序和數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存，等待進(jìn)程調(diào)度程序?qū)ζ鋱?zhí)行調(diào)度，并在作業(yè)完成后作善后處理工作。低級(jí)調(diào)度的主要功能是根據(jù)一定的算法將CPU分派給就緒隊(duì)列中的一個(gè)進(jìn)程。為了使內(nèi)存中同時(shí)存放的進(jìn)程數(shù)目不至于太多，有時(shí)就需要把某些進(jìn)程從內(nèi)存中移到外存上，以減少多道程序的數(shù)目，為此設(shè)立了中級(jí)調(diào)度。進(jìn)程只有在得到CPU之后才能真正活動(dòng)起來，所有就緒進(jìn)程經(jīng)由進(jìn)程調(diào)度才能獲得CPU的控制權(quán)；實(shí)際上，進(jìn)程調(diào)度完成一臺(tái)物理的CPU轉(zhuǎn)變成多臺(tái)虛擬（或邏輯）的CPU的工作；進(jìn)程調(diào)度的實(shí)現(xiàn)策略往往決定了操作系統(tǒng)的類型，其算法優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能?？赡芎芏?，無法把它們都