图解经典的进程调度算法

文中的很多图片来源我考研时看的网课，B 站上应该还能找到，王道考研出品的操作系统系列，各位可以去看看，适用于考试，不太适用于春招秋招，因为知识点讲的太细，边边角角都会讲到，各位可以挑几个章节去看。全文脉络思维导图如下：

1. 调度的概念

当 CPU 有一堆任务要处理时，由于其资源有限，这些事情就没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是 “调度” 研究的问题。除了接下来将要说的进程调度，还有作业调度、内存调度等。

回顾一下进程的三态模型：

• 「运行态」（running）：进程占有 CPU 正在运行。
• 「就绪态」（ready）：进程具备运行条件，等待系统分配 CPU 以便运行。
• 「阻塞态」 / 等待态（wait）：进程不具备运行条件，正在等待某个事件的完成。

所谓进程调度，就是「从进程的就绪队列（阻塞）中按照一定的算法选择一个进程并将 CPU 分配给它运行」，以实现进程的并发执行。这是操作系统中最基本（最低级）的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。

2. 非抢占式进程调度算法

所谓非抢占式的意思就是，当进程正在运行时，它就会一直运行，直到该进程完成或发生某个事件发生而被阻塞时，才会把 CPU 让给其他进程。

对应的，抢占式的意思就是，当进程正在运行的时，可以被打断，把 CPU 让给其他进程。

① 先到先服务 FCFS

先来先服务调度算法（First Come First Serve，FCFS）：按照进程到达的先后顺序进行调度，「先到的进程就先被调度」，也就是说，等待时间越久的越优先得到服务。

优点：公平、算法实现简单

缺点：对短进程不利。排在长进程后面的短进程需要等待很长时间，短进程的响应时间太长了，用户交互体验会变差。

② 最短作业优先 SJF

最短作业/进程优先调度算法（Shortest Job First，SJF）：「每次调度时选择当前已到达的、且运行时间最短的进程」。

最短作业优先算法和先到先服务恰好相反，先到先服务对短进程不利，而最短作业优先算法对长程不利。因为如果一直有短进程到来，那么长进程永远得不到调度，长进程有可能会饿死，处于一直等待短作业执行完毕的状态。

③ 高响应比优先 HRRN

高响应比优先算法（Highest Response Ratio Next，HRRN）：只有当前运行的进程主动放弃 CPU 时（正常/异常完成，或主动阻塞），才需要进行调度，「调度时计算所有就绪进程的响应比，为响应比最高的进程分配 CPU」。响应比 = (进程的等待时间 + 进程需要的运行时间) / 进程需要的运行时间

3. 抢占式进程调度算法

抢占就是指当进程正在运行的时，可以被打断，把 CPU 让给其他进程。抢占的原则一般有三种，分别是时间片原则、优先权原则、短作业优先原则。

① 最短剩余时间优先 SRTN

最短剩余时间优先（Shortest Remaining Time Next，SRTN）算法是「最短作业优先的抢占式版本」。

「当一个新的进程到达时，把它所需要的整个运行时间与当前进程的剩余运行时间作比较。如果新的进程需要的时间更少，则挂起当前进程，运行新的进程，否则新的进程等待。」

② 轮转调度算法 RR

轮转调度算法（Round Robin，RR）也称时间片调度算法：调度程序每次把 CPU 分配给就绪队列首进程使用规定的时间间隔，称为时间片，通常为 10ms ~ 200ms，「就绪队列中的每个进程轮流地运行一个时间片，当时间片耗尽时就强迫当前运行进程让出 CPU 资源，转而排到就绪队列尾部，等待下一轮调度」。所以，一个进程一般都需要多次轮转才能完成。

轮转调度算法对每个进程都一视同仁，就好比大家都排好队，一个一个来，每个人都运行一会儿再接着重新排队等待运行。

需要注意的是：时间片的长度是一个很关键的因素：

• 如果时间片设置得太短，就会导致频繁的进程上下文切换，降低了 CPU 效率；
• 如果时间片设置得太长，那么随着就绪队列中进程数目的增加，轮转一次消耗的总时间加长，即每隔进程的相应速度放慢。甚至时间片大到让进程足以完成其所有任务，RR 调度算法便退化成 FCFS 算法。

4. 最高优先级调度算法 HPF

RR 调度算法对所有的进程都是相同的策略，如果用户进程太多，可能会导致内核的服务进程响应跟不上。而在操作系统中，内核进程是比用户进程重要的多的，毕竟它关乎整个系统的稳定性。

最高优先级调度算法（Highest Priority First，HPF）就是「从就绪队列中选择最高优先级的进程进行运行」。进程的优先级是怎么规定的呢？分为静态优先级或动态优先级：

• 「静态优先级」：创建进程时候，就预先规定优先级，并且整个运行过程中该进程的优先级都不会发生变化。一般来说，内核进程的优先级都是高于用户进程的。
• 「动态优先级」：根据进程的动态变化调整优先级。比如随着进程的运行时间增加，适当的降低其优先级；随着就绪队列中进程的等待时间增加，适当的升高其优先级。

另外，需要注意的是，最高优先级算法并非是固定的抢占式策略或非抢占式，「系统可预先规定使用哪种策略」：

• 非抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，则运行完当前进程后，再选择该优先级高的进程。
• 抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，则立即强制剥夺当前运行进程的 CPU 资源，分配给优先级更高的进程运行。

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