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調(diào)度算法介紹

調(diào)度算法是指在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中，根據(jù)一定的策略和算法來決定進(jìn)程或任務(wù)的執(zhí)行順序和資源分配的過程。常見的調(diào)度算法包括：

1. 先來先服務(wù)（FCFS）：按照進(jìn)程到達(dá)的先后順序進(jìn)行調(diào)度，先到達(dá)的進(jìn)程先執(zhí)行。
2. 最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）：選擇執(zhí)行時(shí)間最短的進(jìn)程先執(zhí)行，以減少平均等待時(shí)間。
3. 優(yōu)先級(jí)調(diào)度：為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程先執(zhí)行。
4. 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RR）：將CPU時(shí)間劃分為固定大小的時(shí)間片，每個(gè)進(jìn)程按照時(shí)間片輪流執(zhí)行，當(dāng)時(shí)間片用完后，進(jìn)程被暫停并放入隊(duì)列的末尾。
5. 多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度：將進(jìn)程分為多個(gè)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列有不同的優(yōu)先級(jí)和時(shí)間片大小，進(jìn)程根據(jù)優(yōu)先級(jí)和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行調(diào)度。
6. 最高響應(yīng)比優(yōu)先（HRRN）：根據(jù)進(jìn)程的等待時(shí)間和執(zhí)行時(shí)間的比值來選擇下一個(gè)執(zhí)行的進(jìn)程，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

以上是常見的調(diào)度算法，不同的算法適用于不同的場景和需求。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的調(diào)度算法來提高系統(tǒng)的性能和效率。

先來先服務(wù)（FCFS）

先來先服務(wù)（First-Come, First-Served，簡稱FCFS）是一種常見的調(diào)度算法，用于處理任務(wù)或作業(yè)的順序執(zhí)行。在FCFS算法中，任務(wù)按照到達(dá)的順序依次執(zhí)行，無論任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間長短。

FCFS算法的特點(diǎn)是簡單直觀，易于實(shí)現(xiàn)。它適用于任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間相對較短且任務(wù)到達(dá)時(shí)間間隔較大的情況。然而，F(xiàn)CFS算法也存在一些問題，比如無法充分利用CPU資源、容易產(chǎn)生長作業(yè)等待時(shí)間等。

下面是FCFS算法的示意圖：

|---任務(wù)1---|---任務(wù)2---|---任務(wù)3---|---任務(wù)4---|

在這個(gè)示意圖中，任務(wù)按照到達(dá)的順序依次執(zhí)行，任務(wù)1先執(zhí)行，然后是任務(wù)2，以此類推。

FCFS算法是一種簡單且直觀的調(diào)度算法，適用于任務(wù)執(zhí)行時(shí)間短且到達(dá)時(shí)間間隔大的情況。但它也存在一些問題，需要根據(jù)具體情況選擇合適的調(diào)度算法。

最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）

最短作業(yè)優(yōu)先（Shortest Job First，簡稱SJF），用于在多道程序環(huán)境下決定下一個(gè)要執(zhí)行的作業(yè)。它的原則是選擇剩余執(zhí)行時(shí)間最短的作業(yè)來執(zhí)行，以最大程度地減少平均等待時(shí)間。

SJF算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠最大程度地減少平均等待時(shí)間，因?yàn)樗偸沁x擇剩余執(zhí)行時(shí)間最短的作業(yè)來執(zhí)行。這樣可以避免長作業(yè)占用CPU時(shí)間過長，導(dǎo)致其他短作業(yè)等待時(shí)間過長的情況。

然而，SJF算法也存在一些問題。首先，它需要準(zhǔn)確地知道每個(gè)作業(yè)的執(zhí)行時(shí)間，但在實(shí)際情況下，很難準(zhǔn)確地估計(jì)作業(yè)的執(zhí)行時(shí)間。其次，如果有一個(gè)長作業(yè)在隊(duì)列中等待執(zhí)行，那么其他短作業(yè)可能需要等待很長時(shí)間才能執(zhí)行，這可能導(dǎo)致短作業(yè)的響應(yīng)時(shí)間較長。

最短作業(yè)優(yōu)先算法是一種有效的調(diào)度算法，可以最大程度地減少平均等待時(shí)間。但在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況綜合考慮其他因素，如作業(yè)的優(yōu)先級(jí)、作業(yè)的緊急程度等，選擇合適的調(diào)度算法。

優(yōu)先級(jí)調(diào)度

優(yōu)先級(jí)調(diào)度用于確定在多道程序環(huán)境中，哪個(gè)進(jìn)程應(yīng)該被首先執(zhí)行。每個(gè)進(jìn)程都被賦予一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高的進(jìn)程將被優(yōu)先執(zhí)行。當(dāng)多個(gè)進(jìn)程具有相同的優(yōu)先級(jí)時(shí)，可以使用其他調(diào)度算法來決定執(zhí)行順序，如先來先服務(wù)（FCFS）或時(shí)間片輪轉(zhuǎn)。

在優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法中，每個(gè)進(jìn)程都被分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)值，通常是一個(gè)整數(shù)。較小的優(yōu)先級(jí)值表示較高的優(yōu)先級(jí)。調(diào)度器會(huì)選擇具有最高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程來執(zhí)行，直到該進(jìn)程完成或被阻塞。如果有多個(gè)進(jìn)程具有相同的最高優(yōu)先級(jí)，可以使用其他算法來選擇其中一個(gè)進(jìn)程。

優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的優(yōu)點(diǎn)是可以確保高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程盡快得到執(zhí)行，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。然而，如果優(yōu)先級(jí)設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程饑餓，即一直得不到執(zhí)行的情況。

下面是一個(gè)使用優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的偽代碼示例：

1. 初始化進(jìn)程隊(duì)列
2. 循環(huán)執(zhí)行以下步驟：
3. 從進(jìn)程隊(duì)列中選擇具有最高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程P
4. 執(zhí)行進(jìn)程P
5. 如果進(jìn)程P未完成，則將其放回進(jìn)程隊(duì)列的適當(dāng)位置
6. 如果所有進(jìn)程都已完成，則退出循環(huán)

優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法在實(shí)際應(yīng)用中有多種變體，如靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度和動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度是在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)分配優(yōu)先級(jí)，并在整個(gè)執(zhí)行過程中保持不變。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度則根據(jù)進(jìn)程的行為和狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)先級(jí)。

優(yōu)先級(jí)調(diào)度是一種常用的調(diào)度算法，可以根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)來確定執(zhí)行順序，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RR）

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（Round Robin，簡稱RR）主要用于多道程序系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度。它的基本思想是將CPU的使用時(shí)間劃分為若干個(gè)時(shí)間片，每個(gè)進(jìn)程在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行一段時(shí)間，然后切換到下一個(gè)進(jìn)程。這樣，每個(gè)進(jìn)程都能夠在一定時(shí)間內(nèi)得到CPU的使用權(quán)，實(shí)現(xiàn)了公平調(diào)度。

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法的特點(diǎn)：

• 公平性：每個(gè)進(jìn)程都能夠在一定時(shí)間內(nèi)得到CPU的使用權(quán)，避免了某個(gè)進(jìn)程長時(shí)間占用CPU而導(dǎo)致其他進(jìn)程無法執(zhí)行的情況。
• 響應(yīng)時(shí)間短：由于每個(gè)進(jìn)程都有固定的時(shí)間片，所以每個(gè)進(jìn)程的等待時(shí)間相對較短，能夠快速響應(yīng)用戶的請求。
• 適用于交互式系統(tǒng)：時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法適用于交互式系統(tǒng)，因?yàn)橛脩舻恼埱笸ǔＰ枰焖夙憫?yīng)，而時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法能夠保證較短的響應(yīng)時(shí)間。

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法的實(shí)現(xiàn)方式是通過一個(gè)就緒隊(duì)列來管理進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程按照到達(dá)時(shí)間的順序排列在隊(duì)列中。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程的時(shí)間片用完后，它會(huì)被放到隊(duì)列的末尾，然后CPU會(huì)切換到隊(duì)列中的下一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行。這個(gè)過程會(huì)一直循環(huán)進(jìn)行，直到所有進(jìn)程都執(zhí)行完畢。

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法的公式表示如下：

平均等待時(shí)間總等待時(shí)間進(jìn)程數(shù)

其中，總等待時(shí)間是指所有進(jìn)程等待的時(shí)間之和，進(jìn)程數(shù)是指參與調(diào)度的進(jìn)程總數(shù)。

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法是一種公平且高效的進(jìn)程調(diào)度算法，適用于多道程序系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度。它能夠保證每個(gè)進(jìn)程都能夠在一定時(shí)間內(nèi)得到CPU的使用權(quán)，實(shí)現(xiàn)了公平調(diào)度，并且能夠快速響應(yīng)用戶的請求。

多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度

多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度（Multi-Level Feedback Queue Scheduling）是一種常用的進(jìn)程調(diào)度算法。它將進(jìn)程按照優(yōu)先級(jí)劃分為多個(gè)隊(duì)列，并且每個(gè)隊(duì)列都有不同的時(shí)間片大小。進(jìn)程首先進(jìn)入最高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，如果在時(shí)間片結(jié)束之前完成了任務(wù)，則進(jìn)程被移出隊(duì)列。如果進(jìn)程在時(shí)間片結(jié)束之前沒有完成任務(wù)，則它會(huì)被移到下一個(gè)較低優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列中。這樣，進(jìn)程可以在不同的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列之間進(jìn)行多次反饋，直到完成任務(wù)或者達(dá)到最低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。

多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)進(jìn)程的行為動(dòng)態(tài)地調(diào)整優(yōu)先級(jí)，使得長時(shí)間運(yùn)行的進(jìn)程逐漸降低優(yōu)先級(jí)，而短時(shí)間運(yùn)行的進(jìn)程逐漸提高優(yōu)先級(jí)。這樣可以實(shí)現(xiàn)公平性和響應(yīng)性的平衡。另外，多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法也能夠有效地處理不同類型的進(jìn)程，如CPU密集型和I/O密集型進(jìn)程。

多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法的公式如下：

其中，表示平均周轉(zhuǎn)時(shí)間，表示第i個(gè)進(jìn)程的周轉(zhuǎn)時(shí)間。

多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法是一種靈活且高效的調(diào)度算法，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同的需求。它在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。

最高響應(yīng)比優(yōu)先（HRRN）

最高響應(yīng)比優(yōu)先（Highest Response Ratio Next，簡稱HRRN）用于多道程序系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度。它根據(jù)進(jìn)程的響應(yīng)比來確定下一個(gè)要執(zhí)行的進(jìn)程。

響應(yīng)比是指進(jìn)程等待時(shí)間與服務(wù)時(shí)間的比值。HRRN算法選擇響應(yīng)比最高的進(jìn)程來執(zhí)行，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。

HRRN算法的計(jì)算公式如下：

響應(yīng)比 = (等待時(shí)間 + 服務(wù)時(shí)間) / 服務(wù)時(shí)間

根據(jù)計(jì)算出的響應(yīng)比，選擇響應(yīng)比最高的進(jìn)程進(jìn)行執(zhí)行。這樣可以保證長時(shí)間等待的進(jìn)程能夠得到優(yōu)先執(zhí)行，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

HRRN算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠兼顧進(jìn)程的等待時(shí)間和服務(wù)時(shí)間，能夠有效地提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。然而，HRRN算法也存在一些缺點(diǎn)，比如對于長時(shí)間運(yùn)行的進(jìn)程，可能會(huì)導(dǎo)致其他進(jìn)程長時(shí)間等待，造成饑餓現(xiàn)象。

HRRN算法是一種根據(jù)進(jìn)程的響應(yīng)比來選擇下一個(gè)執(zhí)行進(jìn)程的調(diào)度算法，能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。