常用进程调度算法

在开始之前，推荐大家阅读一篇文章《从零开始学习Python基础语法：打开编程大门的钥匙》https://cloud.tencent.com/developer/article/2471283，该文章介绍了 Python 基础语法，包括数据类型、控制流、函数等，并以待办事项管理器为例实践，有兴趣的朋友可以去了解下。

引言

在现代操作系统中，进程调度算法起着至关重要的作用。它负责决定在某个特定时刻，哪个进程能够获得 CPU 资源并执行，合理的进程调度算法可以有效提高系统的资源利用率、响应速度以及整体性能。本文将对几种常见的进程调度算法进行详细介绍。

一、先来先服务调度算法（First-Come, First-Served，FCFS）

1. 基本原理

FCFS 是一种最简单的进程调度算法，它遵循 “先到先服务” 的原则。按照进程到达就绪队列的先后顺序依次分配 CPU 资源，即最先进入就绪队列的进程最先获得 CPU 执行权，直到该进程完成或者因等待某个事件（如 I/O 操作）而主动让出 CPU 为止。

2. 示例

假设有三个进程 P1、P2、P3，它们到达就绪队列的时间分别为 0 时刻、1 时刻、3 时刻，它们各自所需的 CPU 执行时间分别为 5 个时间单位、3 个时间单位、2 个时间单位。按照 FCFS 算法，首先调度 P1 执行，执行 5 个时间单位后，P1 结束，然后调度 P2 执行 3 个时间单位，最后调度 P3 执行 2 个时间单位。

3. 优缺点

• 优点：实现简单，易于理解，公平对待每一个先到达的进程。
• 缺点：对短作业不利，若长作业先到达，后面的短作业需要等待很长时间才能执行，可能导致平均周转时间较长，系统整体性能不高。

二、短作业优先调度算法（Shortest Job First，SJF）

1. 基本原理

SJF 算法以作业（进程）预计执行时间的长短为依据进行调度。优先选择预计执行时间最短的作业（进程）分配 CPU 资源，目的是使系统的平均周转时间尽可能短，提高系统的吞吐量。

2. 示例

假设有四个进程 P1、P2、P3、P4，它们的预计执行时间分别为 8 个时间单位、4 个时间单位、2 个时间单位、5 个时间单位。如果按照 SJF 算法，首先调度执行时间最短的 P3，然后是 P2，接着是 P4，最后是 P1。

3. 优缺点

• 优点：能有效降低平均周转时间，提高系统吞吐量，对于短作业来说，可以较快地得到执行，充分利用系统资源。
• 缺点：需要提前知道作业的执行时间，在实际系统中往往很难准确预估；对长作业不利，长作业可能会长时间处于等待状态，出现 “饥饿” 现象，即一直得不到 CPU 资源而无法执行。

三、优先级调度算法（Priority Scheduling）

1. 基本原理

每个进程都被赋予一个优先级，优先级高的进程优先获得 CPU 资源进行执行。优先级的设定可以根据不同的因素，比如进程的重要性、紧迫程度等。可以是静态优先级（在进程创建时就确定好，并且在整个生命周期内保持不变），也可以是动态优先级（在进程运行过程中根据某些条件动态调整优先级）。

2. 示例

假设有进程 P1、P2、P3，它们的优先级分别为 3（最高优先级为 5）、2、4，按照优先级调度算法，会先调度 P3 执行，当其执行完毕或者主动让出 CPU 后，再根据剩余进程的优先级决定下一个执行的进程。

3. 优缺点

• 优点：可以灵活地根据进程的重要性等因素来分配 CPU 资源，适用于对实时性要求较高的系统，比如实时控制系统等。
• 缺点：同样可能出现 “饥饿” 现象，如果源源不断有高优先级的进程进入就绪队列，低优先级的进程可能永远无法获得 CPU 执行；另外，如何合理地确定优先级是一个较复杂的问题。

四、时间片轮转调度算法（Round Robin，RR）

1. 基本原理

将 CPU 时间划分成固定大小的时间片（例如 10 毫秒、20 毫秒等），每个就绪进程轮流获得一个时间片在 CPU 上执行。当一个进程的时间片用完后，无论其是否执行完毕，都要让出 CPU，排到就绪队列末尾等待下一轮调度，如此循环往复，保证每个就绪进程都能在一定时间内获得 CPU 资源。

2. 示例

假设有三个进程 P1、P2、P3 在就绪队列中，时间片设定为 5 个时间单位。首先调度 P1 执行 5 个时间单位，时间片用完后 P1 排到就绪队列末尾，接着调度 P2 执行 5 个时间单位，再调度 P3 执行 5 个时间单位，如此循环，直到所有进程都执行完毕。

3. 优缺点

• 优点：对所有进程公平对待，每个进程都能获得 CPU 资源，响应时间比较快，适用于分时操作系统，能让多个用户感觉自己独占 CPU。
• 缺点：频繁的进程切换会增加系统开销，因为每次切换都需要保存和恢复进程的上下文信息；如果时间片设置不合理，例如时间片过大，就类似于 FCFS 算法，时间片过小则会导致过多的切换开销，影响系统效率。

五、多级反馈队列调度算法（Multilevel Feedback Queue，MLFQ）

1. 基本原理

这是一种综合了多种调度算法特点的复杂调度算法。它设置多个就绪队列，每个队列有不同的优先级，优先级越高的队列时间片越小。新创建的进程首先进入最高优先级的队列，按照时间片轮转的方式执行，如果一个进程在规定时间片内没有执行完，就会被移到下一级优先级更低、时间片更大的队列中继续执行，如此类推，并且进程可以根据一定情况动态调整在不同队列间的位置，从而实现对不同类型进程（如短作业、长作业、交互式进程等）的合理调度。

2. 示例

假设有三个多级反馈队列 Q1、Q2、Q3，优先级依次递减，Q1 的时间片为 2 个时间单位，Q2 的时间片为 5 个时间单位，Q3 的时间片为 10 个时间单位。新进程 P1 进入 Q1，执行 2 个时间单位后没执行完，就被移到 Q2 继续执行，若在 Q2 中执行 5 个时间单位还没结束，再被移到 Q3 执行。

3. 优缺点

• 优点：融合了多种调度算法的优点，既能照顾到短作业快速执行，又能保证长作业最终也能得到足够的 CPU 时间，对交互式进程也有较好的响应，具有较好的适应性和灵活性。
• 缺点：算法相对复杂，实现起来难度较大，参数（如各队列的优先级、时间片大小等）的合理设置需要根据具体系统进行大量调试和优化。

总结

综上所述，不同的进程调度算法各有其适用场景和优缺点，操作系统往往会根据自身的设计目标（如面向实时性、面向多用户分时等）以及硬件资源等因素综合考虑，选择合适的调度算法或者结合多种调度算法来提高系统的整体性能，满足用户的不同需求。