《處理器調(diào)度》課件

處理器調(diào)度處理器調(diào)度是操作系統(tǒng)中重要的組成部分。它管理著CPU資源，將多個(gè)任務(wù)分配到CPU上執(zhí)行。一.緒論處理器調(diào)度是操作系統(tǒng)中的核心內(nèi)容之一。它負(fù)責(zé)管理和分配處理器資源，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率和公平性。處理器調(diào)度的概念11.資源分配操作系統(tǒng)分配處理器給多個(gè)進(jìn)程，確保每個(gè)進(jìn)程都能運(yùn)行。22.時(shí)間片管理操作系統(tǒng)劃分時(shí)間片，讓多個(gè)進(jìn)程輪流使用處理器。33.優(yōu)先級管理操作系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級，決定哪個(gè)進(jìn)程優(yōu)先使用處理器。44.效率提升通過調(diào)度算法，提高系統(tǒng)吞吐量，減少等待時(shí)間。調(diào)度問題的研究意義提高系統(tǒng)效率合理調(diào)度可以有效提高系統(tǒng)資源利用率，減少系統(tǒng)空閑時(shí)間，提高系統(tǒng)吞吐量和響應(yīng)速度。改善用戶體驗(yàn)通過合理調(diào)度，可以縮短用戶等待時(shí)間，保證關(guān)鍵任務(wù)的及時(shí)完成，提升用戶滿意度。優(yōu)化資源分配調(diào)度算法可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載和任務(wù)需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整資源分配策略，實(shí)現(xiàn)資源的最佳利用。二.調(diào)度算法的分類處理器調(diào)度算法是操作系統(tǒng)中重要的組成部分，其作用是對各個(gè)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度，以合理分配處理器資源。為了更好地理解調(diào)度算法，可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。按調(diào)度時(shí)機(jī)分類靜態(tài)調(diào)度在進(jìn)程創(chuàng)建之前完成調(diào)度決策，進(jìn)程創(chuàng)建后就無法再進(jìn)行調(diào)度。適用于批處理系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈儓?zhí)行的任務(wù)相對固定。動(dòng)態(tài)調(diào)度在進(jìn)程運(yùn)行過程中進(jìn)行調(diào)度，根據(jù)進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)度決策。適用于交互式系統(tǒng)，因?yàn)橛脩艨赡軙?huì)隨時(shí)創(chuàng)建新的任務(wù)，動(dòng)態(tài)調(diào)度可以及時(shí)調(diào)整資源分配。按調(diào)度策略分類優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度將CPU時(shí)間分成時(shí)間片，輪流分配給各個(gè)進(jìn)程執(zhí)行。短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度優(yōu)先調(diào)度執(zhí)行時(shí)間較短的作業(yè)。先來先服務(wù)調(diào)度按照進(jìn)程到達(dá)的先后順序進(jìn)行調(diào)度。按調(diào)度指標(biāo)分類吞吐量指在特定時(shí)間內(nèi)，處理器可以完成的任務(wù)數(shù)量。周轉(zhuǎn)時(shí)間指一個(gè)任務(wù)從提交到完成所花費(fèi)的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間指從任務(wù)提交到開始執(zhí)行所花費(fèi)的時(shí)間。CPU利用率指處理器處于忙碌狀態(tài)的時(shí)間占總時(shí)間的比例。三.先來先服務(wù)調(diào)度(FCFS)先來先服務(wù)調(diào)度(FCFS)是一種簡單易懂的調(diào)度算法。它按照進(jìn)程到達(dá)系統(tǒng)的順序進(jìn)行調(diào)度，先到達(dá)的進(jìn)程先執(zhí)行。先來先服務(wù)調(diào)度(FCFS)1算法描述FCFS算法是最簡單的調(diào)度算法之一。它按照作業(yè)到達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間順序進(jìn)行調(diào)度，先到達(dá)的作業(yè)先執(zhí)行。2優(yōu)點(diǎn)FCFS算法易于理解和實(shí)現(xiàn)，且公平性高，不會(huì)出現(xiàn)饑餓現(xiàn)象。3缺點(diǎn)FCFS算法可能導(dǎo)致短作業(yè)被長時(shí)間阻塞，平均周轉(zhuǎn)時(shí)間和平均等待時(shí)間較長。4應(yīng)用場景FCFS算法適用于批處理系統(tǒng)和實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)，例如，打印隊(duì)列。優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)FCFS算法簡單易懂，易于實(shí)現(xiàn)。它遵循公平原則，先到達(dá)的進(jìn)程先獲得CPU資源。缺點(diǎn)容易導(dǎo)致短作業(yè)等待時(shí)間過長，影響系統(tǒng)效率。不利于處理對實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用。應(yīng)用場景批處理系統(tǒng)適用于處理大量數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)分析和科學(xué)計(jì)算。交互式系統(tǒng)適用于響應(yīng)用戶請求，例如文本編輯器和網(wǎng)頁瀏覽器。實(shí)時(shí)系統(tǒng)適用于對時(shí)間要求嚴(yán)格的系統(tǒng)，例如航空管制和金融交易。四.短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度(SJF)短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法是一種常見的處理器調(diào)度算法。該算法根據(jù)作業(yè)的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行排序，優(yōu)先執(zhí)行執(zhí)行時(shí)間較短的作業(yè)。這種方法可以有效提高系統(tǒng)吞吐量，減少平均等待時(shí)間。短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度(SJF)-算法描述概念短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法是一種非搶占式調(diào)度算法。它選擇等待隊(duì)列中執(zhí)行時(shí)間最短的進(jìn)程，并將它分配到處理器上。執(zhí)行流程選擇等待隊(duì)列中執(zhí)行時(shí)間最短的進(jìn)程。將該進(jìn)程分配到處理器上。執(zhí)行該進(jìn)程，直到完成。重復(fù)步驟1-3，直到所有進(jìn)程都完成。優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間短,提高系統(tǒng)吞吐量缺點(diǎn)長作業(yè)饑餓現(xiàn)象,無法保證所有作業(yè)都能及時(shí)完成應(yīng)用場景短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法常用于服務(wù)器環(huán)境中，它可以有效地提高服務(wù)器的吞吐量，并減少等待時(shí)間。在個(gè)人電腦上運(yùn)行的應(yīng)用程序，例如文本編輯器和瀏覽器，通?？梢詮亩套鳂I(yè)優(yōu)先調(diào)度算法中受益，因?yàn)樗梢愿斓赝瓿尚∪蝿?wù)。五.時(shí)間分片調(diào)度(RR)時(shí)間分片調(diào)度算法是一種重要的進(jìn)程調(diào)度算法。它采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式，將處理器時(shí)間分配給不同的進(jìn)程，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的公平調(diào)度。時(shí)間分片調(diào)度(RR)算法描述時(shí)間分片調(diào)度算法為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，當(dāng)時(shí)間片用完后，該進(jìn)程被暫停，并將CPU分配給下一個(gè)進(jìn)程。輪流執(zhí)行每個(gè)進(jìn)程，直到所有進(jìn)程完成。時(shí)間片大小時(shí)間片大小對于系統(tǒng)性能至關(guān)重要，過短會(huì)導(dǎo)致頻繁的上下文切換，影響效率；過長則會(huì)導(dǎo)致某些進(jìn)程長時(shí)間占用CPU，影響公平性。優(yōu)先級時(shí)間分片調(diào)度算法通常不考慮優(yōu)先級，但可根據(jù)需要進(jìn)行改進(jìn)，例如為高優(yōu)先級進(jìn)程分配更短的時(shí)間片，以提高響應(yīng)速度。時(shí)間分片調(diào)度(RR)-優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)能夠有效地防止進(jìn)程長時(shí)間占用CPU，提高系統(tǒng)吞吐量。缺點(diǎn)時(shí)間片過短會(huì)導(dǎo)致頻繁的上下文切換，增加系統(tǒng)開銷。其他時(shí)間片的設(shè)置需要根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載和進(jìn)程特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。應(yīng)用場景多用戶系統(tǒng)時(shí)間分片調(diào)度適用于多用戶系統(tǒng)，例如計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，允許多個(gè)用戶同時(shí)訪問系統(tǒng)資源。實(shí)時(shí)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，例如游戲服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)聊天室，每個(gè)用戶都需要定期獲得處理器時(shí)間，確保所有用戶獲得流暢的體驗(yàn)。多任務(wù)處理時(shí)間分片調(diào)度適合于多任務(wù)處理環(huán)境，允許計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，例如文本編輯器和瀏覽器，并提供更平滑的用戶體驗(yàn)。六.優(yōu)先級調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度算法是一種常用的調(diào)度算法，它根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度。優(yōu)先級高的進(jìn)程優(yōu)先獲得CPU資源，優(yōu)先級低的進(jìn)程則需要等待。優(yōu)先級調(diào)度算法描述11.進(jìn)程優(yōu)先級每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)優(yōu)先級值，數(shù)字越小，優(yōu)先級越高。22.優(yōu)先級隊(duì)列根據(jù)優(yōu)先級對進(jìn)程進(jìn)行排序，優(yōu)先級高的進(jìn)程排在前面。33.調(diào)度機(jī)制選擇優(yōu)先級最高的進(jìn)程，優(yōu)先級相同則采用先來先服務(wù)調(diào)度。44.優(yōu)先級調(diào)整可以動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)程優(yōu)先級，例如，時(shí)間片耗盡后降低優(yōu)先級。優(yōu)先級調(diào)度優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)可以有效地提高優(yōu)先級高的進(jìn)程的執(zhí)行效率。優(yōu)先級高的進(jìn)程可以優(yōu)先獲得CPU資源，從而縮短其等待時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間。缺點(diǎn)可能導(dǎo)致優(yōu)先級低的進(jìn)程長時(shí)間等待甚至被餓死。如果優(yōu)先級高的進(jìn)程一直占用CPU，優(yōu)先級低的進(jìn)程可能永遠(yuǎn)無法獲得執(zhí)行機(jī)會(huì)。難以確定優(yōu)先級。不同類型的進(jìn)程可能需要不同的優(yōu)先級，而確定合適的優(yōu)先級規(guī)則并不容易。可能導(dǎo)致優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。如果一個(gè)低優(yōu)先級進(jìn)程持有高優(yōu)先級進(jìn)程所需的資源，高優(yōu)先級進(jìn)程可能需要等待低優(yōu)先級進(jìn)程釋放資源，導(dǎo)致高優(yōu)先級進(jìn)程的響應(yīng)時(shí)間變長。優(yōu)先級調(diào)度應(yīng)用場景批處理系統(tǒng)適合處理大量獨(dú)立作業(yè)，優(yōu)先級可以根據(jù)作業(yè)的優(yōu)先級分配，優(yōu)先完成重要作業(yè)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求快速響應(yīng)和及時(shí)處理，優(yōu)先級可以根據(jù)任務(wù)的緊急程度分配，優(yōu)先完成緊急任務(wù)。七.多級反饋隊(duì)列調(diào)度多級反饋隊(duì)列調(diào)度算法是將多個(gè)優(yōu)先級不同的隊(duì)列結(jié)合起來，根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級和等待時(shí)間分配到不同的隊(duì)列中執(zhí)行。這種調(diào)度方式靈活，可以根據(jù)不同的任務(wù)特性進(jìn)行調(diào)整。多級反饋隊(duì)列調(diào)度算法描述1隊(duì)列等級每個(gè)隊(duì)列都與一個(gè)優(yōu)先級相關(guān)聯(lián)，較高的隊(duì)列優(yōu)先級更高。2時(shí)間片長度每個(gè)隊(duì)列都分配了一個(gè)時(shí)間片長度，時(shí)間片長度隨著隊(duì)列等級降低而增加。3調(diào)度機(jī)制當(dāng)一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，它被放置在最高優(yōu)先級的隊(duì)列中。4進(jìn)程遷移如果一個(gè)進(jìn)程在當(dāng)前時(shí)間片內(nèi)未完成，它將被移動(dòng)到下一級隊(duì)列，并分配一個(gè)更長的時(shí)間片。優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)能夠兼顧不同類型進(jìn)程的需求，提高系統(tǒng)吞吐量和效率。通過優(yōu)先級設(shè)置，可以優(yōu)先處理關(guān)鍵任務(wù)。缺點(diǎn)算法復(fù)雜度較高，實(shí)現(xiàn)難度較大。需要合理設(shè)置優(yōu)先級，否則可能導(dǎo)致饑餓現(xiàn)象。應(yīng)用場景批處理系統(tǒng)適合處理大量作業(yè)，例如夜間數(shù)據(jù)備份、科學(xué)計(jì)算等。交互式系統(tǒng)適合用戶頻繁交互，例如文字處理、圖形編輯等。實(shí)時(shí)系統(tǒng)適合對時(shí)間敏感，要求快速響應(yīng)，例如航空控制、金融交易等。八.實(shí)時(shí)調(diào)度算法實(shí)時(shí)調(diào)度算法用于處理需要在特定時(shí)間限制內(nèi)完成的任務(wù)。這些算法通常應(yīng)用于對時(shí)間敏感的應(yīng)用，例如工業(yè)控制系統(tǒng)、航空電子設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。最早截止時(shí)間優(yōu)先(EDF)截止時(shí)間EDF算法根據(jù)任務(wù)的截止時(shí)間進(jìn)行排序，將截止時(shí)間最早的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。時(shí)間約束適用于需要嚴(yán)格滿足時(shí)間約束的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，例如航空管制、工業(yè)自動(dòng)化。任務(wù)管理EDF算法有效避免任務(wù)錯(cuò)過截止時(shí)間，提高系統(tǒng)可靠性和及時(shí)性。最高響應(yīng)比優(yōu)先(HRRN)響應(yīng)比響應(yīng)比指等待時(shí)間與作業(yè)執(zhí)行時(shí)間之和與作業(yè)執(zhí)行時(shí)間的比值算法描述選擇響應(yīng)比最高的作業(yè)進(jìn)行執(zhí)行，響應(yīng)比越大，優(yōu)先級越高公式響應(yīng)比=(等待時(shí)間+執(zhí)行時(shí)間)/執(zhí)行時(shí)間應(yīng)用場景工業(yè)控制實(shí)時(shí)調(diào)度在工業(yè)控制系統(tǒng)中至關(guān)重要，例如機(jī)器人控制、過程控制和航空航天控制，需要快速響應(yīng)和精準(zhǔn)控制。網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中需要處理大量數(shù)據(jù)包，實(shí)時(shí)調(diào)度算法可以保證數(shù)據(jù)包的及時(shí)傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)性能。多媒體系統(tǒng)多媒體系統(tǒng)，例如視頻流和音頻流，需要實(shí)時(shí)處理和傳輸，保證流暢的播放體驗(yàn)。嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)通常資源有限，實(shí)時(shí)調(diào)度算法可以優(yōu)化資源利用，提高系統(tǒng)性能。九.總結(jié)與展望處理器調(diào)度是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它直接影響著系統(tǒng)性能和資源利用率。本文探討了多種常用的處理器調(diào)度算法，并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場景。調(diào)度算法選擇要點(diǎn)應(yīng)用場景選擇適合應(yīng)用程序和系統(tǒng)環(huán)境的調(diào)度算法，例如批處理、交互式或?qū)崟r(shí)系統(tǒng)。系統(tǒng)資源考慮系統(tǒng)的處理器數(shù)量、內(nèi)存大小和I/O設(shè)備可用性，以確定算法的性能。性能指標(biāo)根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇能夠優(yōu)化吞吐量