进程调度算法探究：广东工业大学实验课程深入分析


参考资源链接：[广东工业大学 操作系统四个实验（报告+代码）](https://wenku.csdn.net/doc/6412b6b0be7fbd1778d47a07?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 进程调度算法概述

在现代计算机系统中，进程调度算法是操作系统的核心组件之一。它负责控制任务如何在中央处理单元（CPU）上获得执行时间。本章将介绍进程调度的基本概念、目标和不同类型的调度算法，为读者提供一个关于进程调度算法的全面概览。

## 1.1 进程调度的基本概念

进程调度，是指操作系统内核如何决定哪个进程首先占用CPU以及占用多长时间。它负责在多个可运行的进程之间合理地分配和调度CPU资源，保证系统运行的高效性和响应性。调度算法通常需要满足一定的性能目标，如公平性、系统吞吐量、周转时间（从提交到终止的总时间）以及CPU利用率。

## 1.2 进程调度的目标

进程调度的目标包括但不限于以下几点：

- **公平性（Fairness）**：确保每个进程都获得其应有的CPU时间。
- **吞吐量（Throughput）**：单位时间内完成的进程数。
- **周转时间（Turnaround Time）**：完成一个任务所需的时间，包括等待和执行时间。
- **CPU利用率（CPU Utilization）**：CPU忙碌工作的时间比例。
- **响应时间（Response Time）**：从进程提交到首次响应的时间。

## 1.3 进程调度算法的分类

进程调度算法可以根据不同的标准进行分类：

- **非抢占式调度**：一旦进程占用CPU，它将继续运行直到完成或阻塞。
- **抢占式调度**：运行的进程可以被更高优先级的进程中断。

- **静态调度**：进程调度决策在系统运行之前就确定。
- **动态调度**：进程调度决策在系统运行时动态生成。

接下来的章节将深入探讨各种具体的进程调度算法，包括先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、优先级调度、时间片轮转（RR）、多级队列和多级反馈队列调度算法，以及实时调度算法。通过这些具体的算法分析，我们将进一步理解进程调度的复杂性和多样性。

# 2. 基本进程调度算法的理论与实践

在探讨现代操作系统的核心组件中，进程调度算法是实现高效资源管理和提升系统吞吐量的关键。本章将深入解析几种基本的进程调度算法，通过理论与实践相结合的方式，旨在提供对算法内部机制的深刻理解，并给出在实际操作系统中应用的案例。

## 2.1 先来先服务（FCFS）算法

### 2.1.1 FCFS算法的理论基础

先来先服务（FCFS）是一种简单直观的进程调度算法，根据进程到达的顺序进行调度，最早到达的进程先被执行，随后是第二个到达的，依此类推，直到所有进程都执行完毕。从算法模型上来看，FCFS非常易于实现，其算法复杂度低，且易于用户理解和接受。

尽管FCFS算法简单，但它有潜在的缺点，例如会出现所谓的“饥饿”现象，即后续到达的短进程可能因为前面有大量长时间运行的进程而不得不长时间等待。在理想情况下，如果进程的到达顺序与执行时间成正比，则FCFS可以表现得非常优秀，但在实际应用中，这种情况是难以保证的。

### 2.1.2 FCFS算法的实践应用

在操作系统中，FCFS算法的实现相当直接。下面是一个用伪代码描述的FCFS调度算法的简单实现示例：

队列 processQueue = 创建一个空队列
当有新进程到来时:
    将进程加入到 processQueue 尾部
当前没有执行的进程时:
    如果 processQueue 不为空:
        从 processQueue 头部取出进程并开始执行
        执行完成后，从 processQueue 移除该进程

在现代操作系统中，FCFS通常被用作其他调度策略的基础，或者作为比较其他复杂调度算法的基准。

## 2.2 短作业优先（SJF）算法

### 2.2.1 SJF算法的理论基础

短作业优先（SJF）算法的目的是减少平均等待时间。它根据进程的执行时间来进行调度，选择执行时间最短的进程优先执行。对于具有较短执行时间的进程来说，SJF算法能够提供较快的响应时间。然而，这种算法可能会导致长进程遭遇严重的延迟，即所谓的“饥饿”问题。

SJF有两种实现形式：非抢占式和抢占式。非抢占式SJF在当前进程执行完毕后选择下一个最短的进程；而抢占式SJF（也称为最短剩余时间优先，SRTF）则会中断当前执行的进程，以选择另一个更短的进程。

### 2.2.2 SJF算法的实践应用

SJF算法在实际操作系统中更加复杂，因为需要估计进程的执行时间。在某些特定场景下，如批处理系统，预估进程的执行时间相对容易。然而，在现代交互式系统中，准确预测进程执行时间是极具挑战性的。

下面是一个非抢占式SJF算法的实现示例：

队列 processQueue = 按预计执行时间排序的进程队列
当有新进程到来时:
    如果 processQueue 为空:
        将新进程加入到 processQueue 尾部
    否则:
        按执行时间将新进程插入到 processQueue 的正确位置
当前没有执行的进程时:
    如果 processQueue 不为空:
        从 processQueue 头部取出并执行最短的进程
        执行完成后，从 processQueue 移除该进程

在实际应用中，SJF算法的性能依赖于进程执行时间的准确预测，因此系统设计者和开发者需要采取有效的算法和策略来估算进程的执行时间。

## 2.3 优先级调度算法

### 2.3.1 优先级调度的理论模型

优先级调度算法是一种根据进程优先级进行调度的算法。每个进程都有一个优先级，调度器总是选择优先级最高的进程执行。在多用户操作系统中，优先级可以由系统决定或用户指定。优先级调度算法可以是非抢占式的，也可以是抢占式的，其中抢占式优先级调度也被称为最高优先级优先（HPF）。

### 2.3.2 优先级调度的实现和案例分析

在实现优先级调度算法时，操作系统会维护一个进程优先级队列。当一个新进程到达或者一个进程释放CPU时，调度器会检查优先级队列，选择优先级最高的进程来执行。在抢占式优先级调度中，如果一个新到达的进程优先级高于当前执行的进程，那么当前进程会被中断，优先级高的进程获得CPU时间。

下面是一个简单优先级调度算法的伪代码实现：

优先级队列 priorityQueue = 创建一个空队列
当有新进程到来时:
    将新进程插入到 priorityQueue 的正确位置
当前没有执行的进程时:
    如果 priorityQueue 不为空:
        从 priorityQueue 头部取出优先级最高的进程并执行
        执行完成后，从 priorityQueue 移除该进程

在实际的操作系统中，优先级调度算法提供了一种灵活的进程管理方式。例如，Linux操作系统中的完全公平调度器（CFQ）就是一种基于优先级的调度算法。CFQ旨在为不同类型的进程提供公平的CPU时间，从而确保系统的整体效率和响应性。

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