《处理器调度》课件

处理器调度处理器调度是操作系统中重要的组成部分。它管理着CPU资源，将多个任务分配到CPU上执行。一.绪论处理器调度是操作系统中的核心内容之一。它负责管理和分配处理器资源，以实现系统效率和公平性。处理器调度的概念11.资源分配操作系统分配处理器给多个进程，确保每个进程都能运行。22.时间片管理操作系统划分时间片，让多个进程轮流使用处理器。33.优先级管理操作系统根据进程优先级，决定哪个进程优先使用处理器。44.效率提升通过调度算法，提高系统吞吐量，减少等待时间。调度问题的研究意义提高系统效率合理调度可以有效提高系统资源利用率，减少系统空闲时间，提高系统吞吐量和响应速度。改善用户体验通过合理调度，可以缩短用户等待时间，保证关键任务的及时完成，提升用户满意度。优化资源分配调度算法可以根据系统负载和任务需求，动态调整资源分配策略，实现资源的最佳利用。二.调度算法的分类处理器调度算法是操作系统中重要的组成部分，其作用是对各个进程进行调度，以合理分配处理器资源。为了更好地理解调度算法，可以根据不同的标准进行分类。按调度时机分类静态调度在进程创建之前完成调度决策，进程创建后就无法再进行调度。适用于批处理系统，因为它们执行的任务相对固定。动态调度在进程运行过程中进行调度，根据进程运行状态进行调度决策。适用于交互式系统，因为用户可能会随时创建新的任务，动态调度可以及时调整资源分配。按调度策略分类优先级调度根据进程优先级进行调度，高优先级进程优先执行。时间片轮转调度将CPU时间分成时间片，轮流分配给各个进程执行。短作业优先调度优先调度执行时间较短的作业。先来先服务调度按照进程到达的先后顺序进行调度。按调度指标分类吞吐量指在特定时间内，处理器可以完成的任务数量。周转时间指一个任务从提交到完成所花费的时间。响应时间指从任务提交到开始执行所花费的时间。CPU利用率指处理器处于忙碌状态的时间占总时间的比例。三.先来先服务调度(FCFS)先来先服务调度(FCFS)是一种简单易懂的调度算法。它按照进程到达系统的顺序进行调度，先到达的进程先执行。先来先服务调度(FCFS)1算法描述FCFS算法是最简单的调度算法之一。它按照作业到达系统的时间顺序进行调度，先到达的作业先执行。2优点FCFS算法易于理解和实现，且公平性高，不会出现饥饿现象。3缺点FCFS算法可能导致短作业被长时间阻塞，平均周转时间和平均等待时间较长。4应用场景FCFS算法适用于批处理系统和实时性要求不高的系统，例如，打印队列。优缺点分析优点FCFS算法简单易懂，易于实现。它遵循公平原则，先到达的进程先获得CPU资源。缺点容易导致短作业等待时间过长，影响系统效率。不利于处理对实时性要求较高的应用。应用场景批处理系统适用于处理大量数据，如数据分析和科学计算。交互式系统适用于响应用户请求，例如文本编辑器和网页浏览器。实时系统适用于对时间要求严格的系统，例如航空管制和金融交易。四.短作业优先调度(SJF)短作业优先调度算法是一种常见的处理器调度算法。该算法根据作业的执行时间进行排序，优先执行执行时间较短的作业。这种方法可以有效提高系统吞吐量，减少平均等待时间。短作业优先调度(SJF)-算法描述概念短作业优先调度算法是一种非抢占式调度算法。它选择等待队列中执行时间最短的进程，并将它分配到处理器上。执行流程选择等待队列中执行时间最短的进程。将该进程分配到处理器上。执行该进程，直到完成。重复步骤1-3，直到所有进程都完成。优缺点分析优点平均周转时间短,提高系统吞吐量缺点长作业饥饿现象,无法保证所有作业都能及时完成应用场景短作业优先调度算法常用于服务器环境中，它可以有效地提高服务器的吞吐量，并减少等待时间。在个人电脑上运行的应用程序，例如文本编辑器和浏览器，通常可以从短作业优先调度算法中受益，因为它可以更快地完成小任务。五.时间分片调度(RR)时间分片调度算法是一种重要的进程调度算法。它采用时间片轮转的方式，将处理器时间分配给不同的进程，以实现进程的公平调度。时间分片调度(RR)算法描述时间分片调度算法为每个进程分配一个时间片，当时间片用完后，该进程被暂停，并将CPU分配给下一个进程。轮流执行每个进程，直到所有进程完成。时间片大小时间片大小对于系统性能至关重要，过短会导致频繁的上下文切换，影响效率；过长则会导致某些进程长时间占用CPU，影响公平性。优先级时间分片调度算法通常不考虑优先级，但可根据需要进行改进，例如为高优先级进程分配更短的时间片，以提高响应速度。时间分片调度(RR)-优缺点分析优点能够有效地防止进程长时间占用CPU，提高系统吞吐量。缺点时间片过短会导致频繁的上下文切换，增加系统开销。其他时间片的设置需要根据系统负载和进程特点进行调整。应用场景多用户系统时间分片调度适用于多用户系统，例如计算机实验室或网络服务器，允许多个用户同时访问系统资源。实时系统在实时系统中，例如游戏服务器或网络聊天室，每个用户都需要定期获得处理器时间，确保所有用户获得流畅的体验。多任务处理时间分片调度适合于多任务处理环境，允许计算机同时运行多个程序，例如文本编辑器和浏览器，并提供更平滑的用户体验。六.优先级调度优先级调度算法是一种常用的调度算法，它根据进程的优先级进行调度。优先级高的进程优先获得CPU资源，优先级低的进程则需要等待。优先级调度算法描述11.进程优先级每个进程分配一个优先级值，数字越小，优先级越高。22.优先级队列根据优先级对进程进行排序，优先级高的进程排在前面。33.调度机制选择优先级最高的进程，优先级相同则采用先来先服务调度。44.优先级调整可以动态调整进程优先级，例如，时间片耗尽后降低优先级。优先级调度优缺点分析优点可以有效地提高优先级高的进程的执行效率。优先级高的进程可以优先获得CPU资源，从而缩短其等待时间和响应时间。缺点可能导致优先级低的进程长时间等待甚至被饿死。如果优先级高的进程一直占用CPU，优先级低的进程可能永远无法获得执行机会。难以确定优先级。不同类型的进程可能需要不同的优先级，而确定合适的优先级规则并不容易。可能导致优先级反转问题。如果一个低优先级进程持有高优先级进程所需的资源，高优先级进程可能需要等待低优先级进程释放资源，导致高优先级进程的响应时间变长。优先级调度应用场景批处理系统适合处理大量独立作业，优先级可以根据作业的优先级分配，优先完成重要作业。实时系统实时系统要求快速响应和及时处理，优先级可以根据任务的紧急程度分配，优先完成紧急任务。七.多级反馈队列调度多级反馈队列调度算法是将多个优先级不同的队列结合起来，根据任务的优先级和等待时间分配到不同的队列中执行。这种调度方式灵活，可以根据不同的任务特性进行调整。多级反馈队列调度算法描述1队列等级每个队列都与一个优先级相关联，较高的队列优先级更高。2时间片长度每个队列都分配了一个时间片长度，时间片长度随着队列等级降低而增加。3调度机制当一个进程进入系统时，它被放置在最高优先级的队列中。4进程迁移如果一个进程在当前时间片内未完成，它将被移动到下一级队列，并分配一个更长的时间片。优缺点分析优点能够兼顾不同类型进程的需求，提高系统吞吐量和效率。通过优先级设置，可以优先处理关键任务。缺点算法复杂度较高，实现难度较大。需要合理设置优先级，否则可能导致饥饿现象。应用场景批处理系统适合处理大量作业，例如夜间数据备份、科学计算等。交互式系统适合用户频繁交互，例如文字处理、图形编辑等。实时系统适合对时间敏感，要求快速响应，例如航空控制、金融交易等。八.实时调度算法实时调度算法用于处理需要在特定时间限制内完成的任务。这些算法通常应用于对时间敏感的应用，例如工业控制系统、航空电子设备和医疗设备。最早截止时间优先(EDF)截止时间EDF算法根据任务的截止时间进行排序，将截止时间最早的任务优先执行。时间约束适用于需要严格满足时间约束的实时系统，例如航空管制、工业自动化。任务管理EDF算法有效避免任务错过截止时间，提高系统可靠性和及时性。最高响应比优先(HRRN)响应比响应比指等待时间与作业执行时间之和与作业执行时间的比值算法描述选择响应比最高的作业进行执行，响应比越大，优先级越高公式响应比=(等待时间+执行时间)/执行时间应用场景工业控制实时调度在工业控制系统中至关重要，例如机器人控制、过程控制和航空航天控制，需要快速响应和精准控制。网络通信网络通信系统中需要处理大量数据包，实时调度算法可以保证数据包的及时传输，提高网络性能。多媒体系统多媒体系统，例如视频流和音频流，需要实时处理和传输，保证流畅的播放体验。嵌入式系统嵌入式系统通常资源有限，实时调度算法可以优化资源利用，提高系统性能。九.总结与展望处理器调度是操作系统的重要组成部分，它直接影响着系统性能和资源利用率。本文探讨了多种常用的处理器调度算法，并分析了它们的优缺点及应用场景。调度算法选择要点应用场景选择适合应用程序和系统环境的调度算法，例如批处理、交互式或实时系统。系统资源考虑系统的处理器数量、内存大小和I/O设备可用性，以确定算法的性能。性能指标根据系统需求，选择能够优化吞吐量