《課件操作系統(tǒng)處理機(jī)調(diào)度》課件

操作系統(tǒng)處理機(jī)調(diào)度工作負(fù)載管理是操作系統(tǒng)關(guān)鍵功能之一。處理機(jī)調(diào)度決定每個進(jìn)程何時獲得CPU資源及運(yùn)行時長,直接關(guān)系到系統(tǒng)性能和用戶體驗。本課件將深入探討處理機(jī)調(diào)度的基本概念和主要算法。課件目標(biāo)明確學(xué)習(xí)目標(biāo)課件將針對操作系統(tǒng)處理機(jī)調(diào)度的核心概念和主要算法進(jìn)行深入講解,幫助學(xué)生全面掌握操作系統(tǒng)中處理機(jī)調(diào)度的原理與實現(xiàn)。深入理解知識點課件將通過案例分析、對比討論等方式,幫助學(xué)生更好地理解處理機(jī)狀態(tài)、上下文切換以及各種調(diào)度算法的概念和特點。培養(yǎng)實際應(yīng)用能力課件將引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用到實際的操作系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)中,提高學(xué)生的問題分析和解決能力。課件大綱1處理機(jī)概述介紹處理機(jī)的基本概念、功能和屬性。2處理機(jī)狀態(tài)和上下文切換探討處理機(jī)狀態(tài)的定義以及上下文切換的過程。3處理機(jī)調(diào)度概述概括調(diào)度的目標(biāo)、分類和調(diào)度時機(jī)。4常見調(diào)度算法詳細(xì)介紹先來先服務(wù)、優(yōu)先級、時間片輪轉(zhuǎn)和多級反饋隊列等調(diào)度算法。處理機(jī)概述處理機(jī)是操作系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的資源之一。了解處理機(jī)的基本概念、功能和屬性有助于深入理解后續(xù)的處理機(jī)調(diào)度算法。什么是處理機(jī)定義處理機(jī)是計算機(jī)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)執(zhí)行指令并控制整個計算機(jī)工作的核心部件。它可以根據(jù)預(yù)定的程序?qū)斎霐?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。功能處理機(jī)的主要功能包括取指令、解碼指令、執(zhí)行指令以及與內(nèi)存和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等。特點處理機(jī)具有高速運(yùn)算和高度并行等特點,可以快速高效地執(zhí)行各種算法和計算任務(wù)。處理機(jī)的功能任務(wù)執(zhí)行處理機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的各種任務(wù)和指令,實現(xiàn)計算機(jī)的基本功能。資源管理處理機(jī)協(xié)調(diào)和管理計算機(jī)的各種硬件資源,如內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備等,確保資源的高效利用。進(jìn)程調(diào)度處理機(jī)負(fù)責(zé)對就緒進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度,按照特定算法分配CPU時間,提高計算機(jī)的整體性能。中斷處理處理機(jī)能夠及時響應(yīng)和處理來自硬件或軟件的中斷請求,保證系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力。處理機(jī)的屬性處理速度處理機(jī)的執(zhí)行速度是其最重要的屬性之一，決定了系統(tǒng)的整體性能。內(nèi)存容量較大的內(nèi)存容量可以支持更復(fù)雜的程序和更多的并發(fā)處理?？煽啃蕴幚頇C(jī)的穩(wěn)定性和故障容忍能力是衡量其可靠性的重要指標(biāo)。成本處理機(jī)的成本是系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮的重要因素之一。處理機(jī)狀態(tài)和上下文切換處理機(jī)的狀態(tài)包括正在運(yùn)行、就緒、阻塞等。上下文切換是操作系統(tǒng)在處理機(jī)之間切換的過程，需要保存當(dāng)前處理機(jī)的狀態(tài)并加載新的處理機(jī)的狀態(tài)。處理機(jī)狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)處理機(jī)正在執(zhí)行指令，在系統(tǒng)資源和內(nèi)存中占有獨立的空間。就緒狀態(tài)處理機(jī)擁有所需的全部資源，隨時可以投入執(zhí)行。阻塞狀態(tài)處理機(jī)由于某種原因暫時無法投入執(zhí)行，需要等待特定事件發(fā)生。上下文切換的定義1切換處理機(jī)狀態(tài)上下文切換指的是操作系統(tǒng)在不同的進(jìn)程或線程之間切換處理機(jī)的過程。2保存和恢復(fù)環(huán)境在切換過程中,操作系統(tǒng)需要保存當(dāng)前處理機(jī)的狀態(tài),并在切換回該進(jìn)程時恢復(fù)環(huán)境。3提高系統(tǒng)吞吐量通過上下文切換,操作系統(tǒng)可以在多個任務(wù)之間高效地分配處理機(jī)資源,提高系統(tǒng)整體的吞吐量。上下文切換的過程1保存當(dāng)前處理機(jī)狀態(tài)當(dāng)需要進(jìn)行上下文切換時，操作系統(tǒng)首先會保存當(dāng)前處理機(jī)的寄存器值、程序計數(shù)器等信息，以便稍后恢復(fù)。2調(diào)度新的進(jìn)程操作系統(tǒng)選擇下一個要運(yùn)行的進(jìn)程，并將其控制權(quán)移交給處理機(jī)。3恢復(fù)新進(jìn)程狀態(tài)系統(tǒng)從保存的信息中恢復(fù)新進(jìn)程的狀態(tài)，包括重新加載寄存器、程序計數(shù)器等關(guān)鍵信息，以便處理機(jī)可以繼續(xù)執(zhí)行該進(jìn)程。處理機(jī)調(diào)度概述處理機(jī)調(diào)度是操作系統(tǒng)的核心功能之一。它負(fù)責(zé)根據(jù)不同的調(diào)度算法，決定各個進(jìn)程在處理機(jī)上的執(zhí)行順序和時間分配。這是一個復(fù)雜而重要的主題，涉及各種算法和策略的比較與選擇。調(diào)度的目標(biāo)最大化系統(tǒng)吞吐量通過合理地分配處理器資源,盡可能多地執(zhí)行作業(yè),提高系統(tǒng)的總體生產(chǎn)力。公平性各作業(yè)都能獲得公平的處理器使用時間,避免某些作業(yè)長時間得不到服務(wù)。最小化響應(yīng)時間對于交互式作業(yè),應(yīng)盡量縮短從用戶提交到獲得響應(yīng)的時間,提高系統(tǒng)的交互性能。保證實時性對于實時性要求嚴(yán)格的作業(yè),應(yīng)確保它們能在截止時間前完成,滿足實時性要求。調(diào)度的分類按照調(diào)度的時間分為靜態(tài)調(diào)度和動態(tài)調(diào)度。靜態(tài)調(diào)度在作業(yè)執(zhí)行前確定調(diào)度順序,動態(tài)調(diào)度在作業(yè)運(yùn)行時根據(jù)情況調(diào)整調(diào)度順序。按照調(diào)度的目標(biāo)分為高吞吐量調(diào)度、低響應(yīng)時間調(diào)度和實時調(diào)度等不同目標(biāo)的調(diào)度算法。按照調(diào)度的優(yōu)先級分為先來先服務(wù)調(diào)度、優(yōu)先級調(diào)度和多級反饋隊列調(diào)度等不同優(yōu)先級策略的調(diào)度算法。調(diào)度時機(jī)隊列調(diào)度在進(jìn)程/線程排隊等待時刻進(jìn)行調(diào)度,確保公平性和效率。進(jìn)程切換當(dāng)進(jìn)程/線程切換時需要及時調(diào)度,以確保系統(tǒng)響應(yīng)迅速。資源上限當(dāng)系統(tǒng)資源負(fù)荷達(dá)到上限時,需要合理調(diào)度以避免過載。先來先服務(wù)調(diào)度算法先來先服務(wù)調(diào)度算法是最簡單且應(yīng)用廣泛的處理機(jī)調(diào)度算法。它遵循"誰先來誰先服務(wù)"的原則,為每一個就緒進(jìn)程分配處理器時間片。先來先服務(wù)調(diào)度算法算法描述先來先服務(wù)(FCFS,First-Come,First-Served)是最簡單和最基本的調(diào)度算法。它按照作業(yè)(或進(jìn)程)進(jìn)入系統(tǒng)的先后順序進(jìn)行調(diào)度。當(dāng)有新的作業(yè)(或進(jìn)程)進(jìn)入系統(tǒng)時,會被放在就緒隊列的末尾,等待被分配到處理機(jī)。系統(tǒng)會選擇就緒隊列中等待時間最長的作業(yè)(或進(jìn)程)進(jìn)行調(diào)度。先來先服務(wù)調(diào)度算法特點簡單易懂先來先服務(wù)調(diào)度算法的邏輯易于理解和實現(xiàn),不需要額外的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計算開銷。效率不高該算法無法考慮任務(wù)的優(yōu)先級和緊迫性,可能導(dǎo)致長時間任務(wù)阻塞短時任務(wù)。公平性差短任務(wù)可能一直被長任務(wù)阻塞,無法得到及時處理,導(dǎo)致響應(yīng)時間過長。適合場景有限該算法適合處理簡單、無優(yōu)先級要求的任務(wù),在復(fù)雜環(huán)境中效果不佳。先來先服務(wù)調(diào)度算法簡單易實現(xiàn)先來先服務(wù)算法是一種簡單易實現(xiàn)的處理機(jī)調(diào)度算法,無需復(fù)雜的邏輯和計算。公平性該算法能夠確保所有進(jìn)程都能得到公平的處理機(jī)使用時間。應(yīng)用于FCFS該算法通常應(yīng)用于先到先服務(wù)(FCFS)這類無需考慮優(yōu)先級的系統(tǒng)中。實時性較差該算法無法保證關(guān)鍵任務(wù)的實時性,對于實時系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。優(yōu)先級調(diào)度算法優(yōu)先級調(diào)度算法根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級來確定處理機(jī)的分配順序。這種算法可以確保緊急任務(wù)得到及時處理，提高系統(tǒng)的響應(yīng)性和交互性。優(yōu)先級調(diào)度算法算法描述優(yōu)先級調(diào)度算法為每個進(jìn)程分配一個優(yōu)先級,按照優(yōu)先級由高到低的順序進(jìn)行調(diào)度。優(yōu)先級可以根據(jù)進(jìn)程的特性如CPU時間、I/O操作頻率等動態(tài)調(diào)整。當(dāng)有多個就緒進(jìn)程時,調(diào)度器選擇具有最高優(yōu)先級的進(jìn)程執(zhí)行。算法特點優(yōu)先級調(diào)度算法能夠根據(jù)不同進(jìn)程的特性進(jìn)行靈活調(diào)度,滿足不同類型任務(wù)的需求。但是需要重點考慮如何合理設(shè)置優(yōu)先級以避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)等問題。應(yīng)用場景優(yōu)先級調(diào)度算法廣泛應(yīng)用于實時系統(tǒng)、交互式系統(tǒng)等對響應(yīng)時間要求較高的場景,能夠確保關(guān)鍵任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。算法特點快速響應(yīng)優(yōu)先級調(diào)度可以快速做出調(diào)度決策,響應(yīng)時間短。公平性根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級分配處理器資源,可以體現(xiàn)公平性。高優(yōu)先級優(yōu)先高優(yōu)先級任務(wù)總是優(yōu)先得到處理器資源分配。優(yōu)先級調(diào)度算法醫(yī)療系統(tǒng)在醫(yī)療系統(tǒng)中,優(yōu)先級調(diào)度算法用于根據(jù)病患的病情嚴(yán)重程度進(jìn)行分診和分配資源,確保關(guān)鍵病例得到及時治療。實時系統(tǒng)在實時系統(tǒng)中,優(yōu)先級調(diào)度算法用于控制關(guān)鍵任務(wù)的及時執(zhí)行,如交通信號燈、航空管制等,確保安全和效率。操作系統(tǒng)在操作系統(tǒng)中,優(yōu)先級調(diào)度算法用于分配CPU資源,確保重要進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行,提高系統(tǒng)響應(yīng)性和吞吐量。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法是一種簡單高效的調(diào)度算法,通過將系統(tǒng)運(yùn)行時間劃分為固定長度的時間片,輪流給予每個就緒進(jìn)程使用處理器的機(jī)會。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法時間片劃分將處理時間劃分為固定長度的時間片，每個任務(wù)在一個時間片內(nèi)執(zhí)行。任務(wù)排隊任務(wù)按先來先服務(wù)的順序排隊等待處理。時間片輪轉(zhuǎn)當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)的時間片用完后,轉(zhuǎn)到下一個任務(wù)執(zhí)行。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法1簡單易行該算法實現(xiàn)簡單,不需要事先了解進(jìn)程的優(yōu)先級或服務(wù)時間,適合初期系統(tǒng)設(shè)計。2公平合理每個進(jìn)程都能獲得均等的CPU時間片,不會產(chǎn)生某些進(jìn)程長期得不到服務(wù)的問題。3響應(yīng)時間可控通過調(diào)整時間片長度,可以在平衡吞吐量和響應(yīng)時間之間進(jìn)行權(quán)衡。4開銷較低調(diào)度器只需維護(hù)一個就緒隊列,不需要過多的資源消耗。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法公平性時間片輪轉(zhuǎn)算法能夠保證每個進(jìn)程都有機(jī)會被執(zhí)行,提高了整體的公平性。交互式應(yīng)用在回應(yīng)時間要求較低的交互式應(yīng)用中,時間片輪轉(zhuǎn)算法能提供良好的用戶體驗。系統(tǒng)開銷低時間片輪轉(zhuǎn)算法實現(xiàn)簡單,系統(tǒng)開銷較低,適合資源受限的嵌入式系統(tǒng)。多級反饋隊列調(diào)度算法多級反饋隊列調(diào)度算法通過動態(tài)調(diào)整進(jìn)程在不同優(yōu)先級隊列中的移動,為不同類型的進(jìn)程提供公平的調(diào)度。它可以根據(jù)進(jìn)程的特性靈活地進(jìn)行調(diào)度,提高系統(tǒng)的整體性能。多級反饋隊列調(diào)度算法算法描述多級反饋隊列調(diào)度算法將進(jìn)程劃分成不同的優(yōu)先級隊列。較高優(yōu)先級的進(jìn)程優(yōu)先得到處理，只有在較高優(yōu)先級的進(jìn)程全部完成后，才會調(diào)度較低優(yōu)先級的進(jìn)程。同時每個隊列都采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行調(diào)度。多級反饋隊列調(diào)度算法靈活性強(qiáng)該算法根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級和動態(tài)運(yùn)行情況來動態(tài)調(diào)整進(jìn)程的優(yōu)先級，能夠更好地適應(yīng)不同類型任務(wù)的調(diào)度需求。處理器利用率高通過動態(tài)調(diào)整優(yōu)先級，可以確保處理器始終有任務(wù)可以執(zhí)行，提高了整體的處理器利用率。高效和公平該算法能夠兼顧高優(yōu)先級任務(wù)的及時響應(yīng)和低優(yōu)先級任務(wù)的公平性，實現(xiàn)了較好的時間效率和公平性。多級反饋隊列調(diào)度算法分層隊列管理將進(jìn)程按優(yōu)先級劃分到不同的隊列中，每個隊列采用不同的調(diào)度策略。時間片輪轉(zhuǎn)每個就緒隊列采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式調(diào)度進(jìn)程，確保公平性。動態(tài)調(diào)整根據(jù)進(jìn)程的運(yùn)行情況動態(tài)調(diào)整其優(yōu)先級和所在的隊列。多級反饋隊列調(diào)度算法廣泛應(yīng)用于需要兼顧響應(yīng)時間、資源利用率和公平性的通用操作系統(tǒng)中。它能夠適應(yīng)各種工作負(fù)載特點，為用戶提供良好的交互體驗。實時調(diào)度算法實時調(diào)度算法用于確保關(guān)鍵任務(wù)在嚴(yán)格的時間限制內(nèi)得到及時執(zhí)行。這種算法在實時系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,如飛機(jī)航班管理、工廠自動化控制等場景。實時調(diào)度算法基于優(yōu)先級的調(diào)度實時調(diào)度算法會根據(jù)每個進(jìn)程的緊迫性和重要性來確定執(zhí)行順序。緊急任務(wù)將優(yōu)先得到處理。動態(tài)響應(yīng)變化實時系統(tǒng)需要快速對外部事件作出反應(yīng)。算法需要動態(tài)調(diào)整調(diào)度策略以應(yīng)對系統(tǒng)狀態(tài)的變化。時間限制保證實時算法必須確保關(guān)鍵任務(wù)在截止時間內(nèi)完成,避免錯過期限造成嚴(yán)重后果。實時調(diào)度算法的特點1及時響應(yīng)實時調(diào)度算法能夠快速響應(yīng)任務(wù)的變化,確保任務(wù)能在指定的時間內(nèi)完成。2時間敏感算法會根據(jù)任務(wù)的緊急程度和截止時間進(jìn)行動態(tài)調(diào)度,確保關(guān)鍵任務(wù)能優(yōu)先執(zhí)行。3資源利用率高算法會合理分配處理機(jī)資源,盡量減少處理機(jī)空閑時間,提高整體的資源利用率。4確定性強(qiáng)算法的調(diào)度結(jié)果是可以預(yù)知和驗證的,能夠保證關(guān)鍵任務(wù)能在截止時間內(nèi)完成。應(yīng)用場景實時系統(tǒng)實時調(diào)度算法廣泛應(yīng)用于實時系統(tǒng),如航空航天、醫(yī)療設(shè)備等,確保關(guān)鍵任務(wù)在嚴(yán)格時間內(nèi)得到及時處理。嵌入式設(shè)備實時調(diào)度算法也被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、機(jī)器人等