[2.2.4]进程管理——FCFS、SJF、HRRN调度算法

第二章 进程管理

FCFS、SJF、HRRN调度算法

调度算法

• 先来先服务（FCFS）
• 短作业优先（SJF）
• 高响应比优先（HRRN）

Tips：各种调度算法的学习思路

1、算法思想。每一种算法的提出，它是想解决一个什么问题、出于什么目的。

2、算法规则。为了解决问题，它采用了怎样的算法规则。

3、这种调度算法是用于 作业调度 还是 进程调度？用于作业调度和用于进程调度的时候有没有什么区别。

4、抢占式？非抢占式？各种算法，可能有抢占式的版本、非抢占式的版本。

5、优点和缺点。

6、是否会导致饥饿。

  饥饿：某进程/作业长期得不到服务，它就处于饥饿状态。

（一）先来先服务（FCFS, First Come First Serve）

1、算法思想

  主要从“公平”的角度考虑。（类似于我们生活中排队买东西的例子）

2、算法规则

  按照作业/进程到达的先后顺序进行服务。

3、用于作业/进程调度

  用于作业调度时，考虑的是哪个作业先到达后备队列；（后备队列之前讲过，是在外存中的）

  用于进程调度时，考虑的是哪个进程先到达就绪队列。（就绪队列，是在内存中的）

4、是否可抢占

  非抢占式的算法。

  也就是对于当前正在占用处理机的那个进程或作业，只有它主动放弃处理机的时候，才会进行调度，才会根据这个算法规则再去选择下一个进行调度。

---

【例题】

  各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用先来先服务调度算法，计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间。

进程	到达时间	运行时间
P1	0	7
P2	2	4
P3	4	1
P4	5	4

等待时间 = 等待被服务的时间 = 周转时间 - 运行时间 - I/O操作的时间

（本例是纯计算型的进程，不涉及I/O操作，因此，其要么在等待被调度、要么在运行。但如果有I/O操作的进程，也要考虑到）

周转时间 = 完成时间 - 提交时间

带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间

  先来先服务调度算法：按照到达的先后顺序调度，事实上就是等待时间越久的越优先得到服务。

  因此，调度顺序为：P1 → P2 → P3 → P4

周转时间：P1 = 7-0 = 7； P2 = 11-2 = 9； P3 = 12-4 = 8； P4 = 16-5 = 11

带权周转时间：P1 = 7/7 = 1； P2 = 9/4 = 2.25； P3 = 8/1 = 8； P4 = 11/4 = 2.75

等待时间：P1 = 7-7 = 0； P2 = 9-4 = 5； P3 = 8-1 = 7； P4 = 11-4 = 7

平均周转时间 = 8.75； 平均带权周转时间 = 3.5； 平均等待时间 = 4.75

  对于上例，可以注意到，对于P3来说，它的带权周转时间为8，是非常大的。意味着，这个进程本来需要运行很短的时间，但是它需要等很长的时间才能得到处理。对于P3的用户来说，他的体验就是特别糟糕的。

---

5、优缺点

  优点：公平、算法实现简单

  缺点：排在长作业（进程）后面的短作业需要等待很长时间，带权周转时间很大，对短作业来说用户体验不好。即，FCFS算法对长作业有利，对短作业不利。

6、是否会导致饥饿

  不会。

  不管是哪个作业，只要它一直等着，它前面的那些作业总会被进行完，它总会得到服务的。

（二）短作业优先（SJF, Shortest Job First）

  对于先来先服务算法，其各项指标其实都是不太优秀的。因此又提出了短作业优先算法。

1、算法思想

  追求最少的平均等待时间，最少的平均周转时间，最少的平均带权周转时间。

2、算法规则

  最短的作业/进程优先得到服务（所谓“最短”，是指要求服务时间最短）

3、用于作业/进程调度

  既可用于作业调度，也可用于进程调度。用于进程调度时称为“短进程优先（SPF, Shortest Process First）算法”。

4、是否可抢占

  SJF和SPF是非抢占式的算法。但是也有抢占式的版本——最短剩余时间优先算法（SRTN, Shortest Remaining Time Next）。

---

【例题】

  各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用非抢占式的短作业优先调度算法，计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间。

（本例为进程调度的场景，所以严格来说，用于进程调度应该称为：短进程优先调度算法（SPF））

进程	到达时间	运行时间
P1	0	7
P2	2	4
P3	4	1
P4	5	4

  短作业/进程优先调度算法：每次调度时选择当前已到达且运行时间最短的作业/进程。

  因此，调度顺序为：P1 → P3 → P2 → P4

周转时间 = 完成时间 - 到达时间

  P1 = 7-0 = 7； P3 = 8-4 = 4； P2 = 12-2 = 10； P4 = 16-5 = 11

带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间

  P1 = 7/7 = 1； P3 = 4/1 = 4； P2 = 10/4 = 2.5； P4 = 11/4 = 2.75

等待时间 = 周转时间 - 运行时间

  P1 = 7-7 = 0； P3 = 4-1 = 3； P2 = 10-4 = 6； P4 = 11-4 = 7

平均周转时间 = 8； 平均带权周转时间 = 2.56； 平均等待时间 = 4

  对比FCFS算法的结果，显然SPF算法的平均等待/周转/带权周转时间都要小。

---

【例题】

  各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用抢占式的短作业优先调度算法，计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间。

（抢占式的短作业优先算法又称“最短剩余时间优先算法（SRTN）”）

进程	到达时间	运行时间
P1	0	7
P2	2	4
P3	4	1
P4	5	4

  最短剩余时间优先算法：每当有进程加入就绪队列改变时就需要调度，如果新到达的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短，则由新进程抢占处理机，当前运行进程重新回到就绪队列。另外，当一个进程完成时也需要调度。

  需要注意的是，当有新进程到达的时候就绪队列就会改变，就要按照上述规则进行检查。以下Pn(m)表示当前Pn进程剩余时间为m。各个时刻的情况如下：

0时刻（P1到达）：P1（7）

2时刻（P2到达）：P1（5）、P2（4）

4时刻（P3到达）：P1（5）、P2（2）、P3（1）

5时刻（P3完成、P4到达）：P1（5）、P2（2）、P4（4）

7时刻（P2完成）：P1（5）、P4（4）

11时刻（P4完成）：P1（5）

周转时间 = 完成时间 - 到达时间

  P1=16-0=16；P2=7-2=5；P3=5-4=1；P4=11-5=6

带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间

  P1=16/7=2.28；P2=5/4=1.25；P3=1/1=1；P4=6/4=1.5

等待时间 = 周转时间 - 运行时间

  P1=16-7=9；P2=5-4=1；P3=1-1=0；P4=6-4=2

平均周转时间=7；平均带权周转时间=1.5；平均等待时间=3

  在抢占式的短作业优先算法中，这些进程的执行可能是断断续续的（如上例中P1、P2），这和之前我们的例子是不一样的，因此对于其各个指标的计算要注意一下。

  对比非抢占式的短作业优先算法，显然抢占式的这几个指标又要更低。

---

注意几个小细节：

  1.如果题目中未特别说明，所提到的“短作业/进程优先算法”默认是非抢占式的。

  2.很多书上都会说：“SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”。但是，根据刚才的例子可见，最短剩余时间优先算法（即抢占式的SJF）还要更少。

  因此，严格来说，这个表述是不严谨的。应该这样说：

  在所有进程同时可运行时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少。

  或者说：在所有进程都几乎同时到达时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少。

  如果不加上这些前提条件，则应该说：抢占式的短作业/进程优先调度算法（最短剩余时间优先，SRTN算法）的平均等待时间、平均周转时间最少。

  3.虽然严格来说，SJF的平均等待时间、平均周转时间不一定最少（与SRTN相比）。但是它相比于其它算法（如FCFS），SJF依然可以获得较少的平均等待时间、平均周转时间。

  4.如果选择题中遇到“SJF算法的平均等待时间、平均周转时间最少”的选项，那最好判断其他选项是不是有明显的错误，如果没有更合适的选项，那也应该选择此选项。

---

5、优缺点

  优点：“最短的”平均等待时间、平均周转时间

  缺点：不公平。对短作业有利，对长作业不利。如果有源源不断的短作业进来的话，可能长作业会产生饥饿现象。另外，作业/进程的运行时间的由用户提供的，并不一定真实，不一定能做到真正的短作业优先。

6、是否会导致饥饿

  会。如果源源不断地有短作业/进程到来，可能使长作业/进程长时间得不到服务，产生“饥饿”现象。如果一直得不到服务，则称为“饿死”。

对FCFS和SJF两种算法的思考

  FCFS算法是在每次调度的时候选择一个等待时间最长的作业（进程）为其服务。但是没有考虑到作业的运行时间，因此导致了对短作业不友好的问题。

  SJF算法是选择一个执行时间最短的作业为其服务。但是又完全不考虑各个作业的等待时间，因此导致了对长作业不友好的问题，甚至还会造成饥饿问题。

  能不能设计一个算法，既考虑到各个作业的等待时间，也能兼顾运行时间呢？

  基于这种想法，人们就提出了高响应比优先算法。

（三）高响应比优先（HRRN，Highest Response Ratio Next）

1、算法思想

  要综合考虑作业/进程的等待时间和要求服务的时间。

2、算法规则

  在每次调度时先计算各个作业/进程的响应比，选择响应比最高的作业/进程为其服务。
$$响应比=\frac{等待时间+要求服务时间}{要求服务时间}$$
（不难看出，响应比这一参数一定是≥1的）

3、用于作业/进程调度

  既可以用于作业调度，也可以用于进程调度。

4、是否可抢占

  非抢占式的算法。因此只有当前运行的作业/进程主动放弃处理机时，才需要调度，才需要计算响应比。

---

【例题】

  各进程到达就绪队列的时间、需要的运行时间如下表所示。使用高响应比优先调度算法，计算各进程的等待时间、平均等待时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间。

进程	到达时间	运行时间
P1	0	7
P2	2	4
P3	4	1
P4	5	4

  高响应比优先算法：非抢占式的调度算法，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，选响应比最高的进程上处理机。

响应比 = (等待时间+要求服务时间) / 要求服务时间

0时刻：只有P1到达就绪队列，P1上处理机

7时刻（P1主动放弃CPU）：就绪队列中有P2（响应比=(5+4)/4=2.25）、P3（(3+1)/1=4）、P4（(2+4)/4=1.5）

8时刻（P3完成）：P2（2.5）、P4（1.75）

小技巧：P2和P4要求服务时间一样，P2到达时间更早（等待时间更长），所以计算出来必然是P2响应比更大。

12时刻（P2完成）：就绪队列中只剩下P4

---

5、优缺点

  综合考虑了等待时间和运行时间（要求服务时间）

  等待时间相同时，要求服务时间短的优先（SJF的优点）

  要求服务时间相同时，等待时间长的优先（FCFS的优点）

  对于长作业来说，随着等待时间越来越久，其响应比也会越来越大，从而避免了长作业饥饿的问题。

6、是否会导致饥饿

  不会。

小结

  注：

  这几种算法主要关心对用户的公平性、平均周转时间、平均等待时间等评价系统整体性能的指标，但是不关心“响应时间”，也并不区分任务的紧急程度，因此对于用户来说，交互性很糟糕。因此这三种算法一般适合用于早期的批处理系统，当然，FCFS算法也常结合其他的算法使用，在现在也扮演着很重要的角色。而适合用于交互式系统的调度算法将在下个小节介绍。