進程調度演算法實驗報告

A. 操作系統管理Linux 系統進程實驗報告

什麼是進程

比如：windows上安裝的QQ，我們會將其稱為QQ程序，那麼當QQ運行之後，在任務管理器中，我們可以看到QQ程序在運行著，此時，我們稱其為:QQ進程。

言簡意賅總結：當我們運行一個程序，那麼我們將該程序叫進程

注意：
1.當程序運行為進程後，系統會為該進程分配內存，以及運行的身份和許可權。
2.在進程運行的過程中，伺服器上回有各種狀態來表示當前進程的指標信息。

進程是已啟動的可執行程序的運行實例，進程有以下組成部分:

分配內存, 已分配內存的地址空間
安全屬性, 進程的運行身份和許可權
進程代碼, 運行一個或多個的線程
進程狀態, 進程運行後的多種狀態
靜態程序, 二進制文件, 靜態/bin/ls, /usr/sbin/sshd
動態進程, 程序運行的過程, 有生命周期及運行狀態

進程的運行環境，包括以下幾個部分：

局部和全局變數
當前的調度上下文
分配給進程使用的系統資源，例如文件描述符、網路埠等
給進程分配對應的pid,ppid

程序和進程的區別

1.程序是數據和指令的集合，是一個靜態的概念，比如/bin/ls、/bin/cp等二進制文件，同事程序可以長期存在系統中。

2.進程是一個程序的運行過程，是一個動態概念，進程是存在生命周期概念的，也就是說進程會隨著程序的終止而銷毀，不會永遠在系統中存在。

進程的生命周期

程序運行時進程的狀態關系:

1.當父進程接收到任務調度時，會通過fork派生子進程來處理，那麼子進程會集成父進程的衣缽。
2.子進程在處理任務代碼時，父進程會進入等待的狀態...
3.如果子進程在處理任務過程中，父進程退出了，子進程沒有退出，那麼這些子進程就沒有父進程來管理了，就變成了僵屍進程。
4.每個進程都會有自己的PID號，（process id）子進程則PPID

B. Linux系統的進程調度

Linux進程調度

1．調度方式

Linux系統的調度方式基本上採用「 搶占式優先順序 」方式，當進程在用戶模式下運行時，不管它是否自願，核心在一定條件下（如該進程的時間片用完或等待I/O）可以暫時中止其運行，而調度其他進程運行。一旦進程切換到內核模式下運行時，就不受以上限制，而一直運行下去，僅在重新回到用戶模式之前才會發生進程調度。

Linux系統中的調度基本上繼承了UNIX系統的 以優先順序為基礎 的調度。也就是說，核心為系統中每個進程計算出一個優先順序，該優先順序反映了一個進程獲得CPU使用權的資格，即高優先順序的進程優先得到運行。核心從進程就緒隊列中挑選一個優先順序最高的進程，為其分配一個CPU時間片，令其投入運行。在運行過程中，當前進程的優先順序隨時間遞減，這樣就實現了「負反饋」作用，即經過一段時間之後，原來級別較低的進程就相對「提升」了級別，從而有機會得到運行。當所有進程的優先順序都變為0（最低）時，就重新計算一次所有進程的優先順序。

2．調度策略

Linux系統針對不同類別的進程提供了3種不同的調度策略，即SCHED_FIFO、SCHED_RR及SCHED_OTHER。其中，SCHED_FIFO適合於 短實時進程 ，它們對時間性要求比較強，而每次運行所需的時間比較短。一旦這種進程被調度且開始運行，就一直運行到自願讓出CPU或被優先順序更高的進程搶占其執行權為止。

SCHED_RR對應「時間片輪轉法」，適合於每次運行需要 較長時間的實時進程 。一個運行進程分配一個時間片（200 ms），當時間片用完後，CPU被另外進程搶占，而該進程被送回相同優先順序隊列的末尾，核心動態調整用戶態進程的優先順序。這樣，一個進程從創建到完成任務後終止，需要經歷多次反饋循環。當進程再次被調度運行時，它就從上次斷點處開始繼續執行。

SCHED_OTHER是傳統的UNIX調度策略，適合於互動式的 分時進程 。這類進程的優先順序取決於兩個因素：一個是進程剩餘時間配額，如果進程用完了配給的時間，則相應優先順序降到0；另一個是進程的優先數nice，這是從UNIX系統沿襲下來的方法，優先數越小，其優先順序越高。nice的取值范圍是-20 19。用戶可以利用nice命令設定進程的nice值。但一般用戶只能設定正值，從而主動降低其優先順序；只有特權用戶才能把nice的值設置為負數。進程的優先順序就是以上二者之和。

後台命令對應後台進程（又稱後台作業）。後台進程的優先順序低於任何交互（前台）進程的優先順序。所以，只有當系統中當前不存在可運行的交互進程時，才調度後台進程運行。後台進程往往按批處理方式調度運行。

3．調度時機

核心進行進程調度的時機有以下5種情況：

（1）當前進程調用系統調用nanosleep( )或者pause( )，使自己進入睡眠狀態，主動讓出一段時間的CPU的使用權。

（2）進程終止，永久地放棄對CPU的使用。

（3）在時鍾中斷處理程序執行過程中，發現當前進程連續運行的時間過長。

（4）當喚醒一個睡眠進程時，發現被喚醒的進程比當前進程更有資格運行。

（5）一個進程通過執行系統調用來改變調度策略或者降低自身的優先順序（如nice命令），從而引起立即調度。

4．調度演算法

進程調度的演算法應該比較簡單，以便減少頻繁調度時的系統開銷。Linux執行進程調度時，首先查找所有在就緒隊列中的進程，從中選出優先順序最高且在內存的一個進程。如果隊列中有實時進程，那麼實時進程將優先運行。如果最需要運行的進程不是當前進程，那麼當前進程就被掛起，並且保存它的現場—— 所涉及的一切機器狀態，包括程序計數器和CPU寄存器等，然後為選中的進程恢復運行現場。

（二）Linux常用調度命令

· nohup命令

nohup命令的功能是以忽略掛起和退出的方式執行指定的命令。其命令格式是：

nohupcommand［arguments］

其中，command是所要執行的命令，arguments是指定命令的參數。

nohup命令告訴系統，command所代表的命令在執行過程中不受任何結束運行的信號（hangup和quit）的影響。例如，

$ nohup find / -name exam.txt -print>f1 &

find命令在後台運行。在用戶注銷後，它會繼續運行：從根目錄開始，查找名字是exam.txt的文件，結果被定向到文件f1中。

如果用戶沒有對輸出進行重定向，則輸出被附加到當前目錄的nohup.out文件中。如果用戶在當前目錄中不具備寫許可權，則輸出被定向到$HOME/nohup.out 中。

· at命令

at命令允許指定命令執行的時間。at命令的常用形式是：

attimecommand

其中，time是指定命令command在將來執行時的時間和日期。時間的指定方法有多種，用戶可以使用絕對時間，也可以用相對時間。該指定命令將以作業形式在後台運行。例如：

$ at 15:00 Oct 20

回車後進入接收方式，接著鍵入以下命令：

mail -s "Happy Birthday!" liuzheny

按下D鍵，屏幕顯示：

job 862960800.a at Wed Oct 20 15:00:00 CST 1999

$

表明建立了一個作業，其作業ID號是862960800.a，運行作業的時間是1999年10月20日下午3:00，給liuzheny發一條標題為「Happy Birthday！」（生日快樂）的空白郵件。

利用 at-l 可以列出當前at隊列中所有的作業。

利用 at-r 可以刪除指定的作業。這些作業以前由at或batch命令調度。例如，

at-r862960797.a

將刪除作業ID號是862960797.a的作業。其一般使用形式是：

at-rjob_id

注意，結尾是.a的作業ID號，表示這個作業是由at命令提交的；結尾是.b的作業ID號，表示這個作業是由batch命令提交的。

· batch命令

batch命令不帶任何參數，它提交的作業的優先順序比at命令提交的作業的優先順序低。batch無法指定作業運行的時間。實際運行時間要看系統中已經提交的作業數量。如果系統中優先順序較高的作業比較多，那麼，batch提交的作業則需要等待；如果系統空閑，則運行batch提交的作業。例如，

$ batch

回車後進入接收方式，接著鍵入命令：

find / -name exam.txt -print

按下D。退出接收方式，屏幕顯示：

job 862961540.b at Thu Nov 18 14:30:00 CST 1999

表示find命令被batch作為一個作業提交給系統，作業ID號是862961540.b。如果系統當前空閑，這個作業被立即執行，其結果同樣作為郵件發送給用戶。

· jobs命令

jobs命令用來顯示當前shell下正在運行哪些作業（即後台作業）。例如：

$ jobs

[2] + Running tar tv3 *&

[1] - Running find / -name README -print > logfile &

$

其中，第一列方括弧中的數字表示作業序號，它是由當前運行的shell分配的，而不是由操作系統統一分配的。在當前shell環境下，第一個後台作業的作業號為1，第二個作業的作業號為2，等等。

第二列中的「 」號表示相應作業的優先順序比「－」號對應作業的優先順序高。

第三列表明作業狀態，是否為運行、中斷、等待輸入或停止等。

最後列出的是創建當前這個作業所對應的命令行。

利用 jobs-l 形式，可以在作業號後顯示出相應進程的PID。如果想只顯示相應進程的PID，不顯示其它信息，則使用 jobs-p 形式。

· fg命令

fg命令把指定的後台作業移到前台。其使用格式是：

fg [job…]

其中，參數job是一個或多個進程的PID，或者是命令名稱或者作業號（前面要帶有一個「%」號）。例如：

$ jobs

[2] + Running tar tv3 *&

[1] - Running find / -name README -print > logfile&

$ fg %find

find / -name README -print > logfile

注意，顯示的命令行末尾沒有「&」符號。下面命令能產生同樣的效果：

$ fg %1

這樣，find命令對應的進程就在前台執行。當後台只有一個作業時，鍵入不帶參數的fg命令，就能使相應進程移到前台。當有兩個或更多的後台作業時，鍵入不帶參數的fg，就把最後進入後台的進程首先移到前台。

· bg命令

bg命令可以把前台進程換到後台執行。其使用格式是：

bg [job…]

其中，job是一個或多個進程的PID、命令名稱或者作業號，在參數前要帶「%」號。例如，在cc（C編譯命令）命令執行過程中，按下Z鍵，使這個作業掛起。然後鍵入以下命令：

$ bg %cc

該掛起的作業在後台重新開始執行。

C. 常見的調度演算法總結

一、FCFS——先來先服務和短作業（進程）優先調度演算法

1. 先來先服務調度演算法。

先來先服務（FCFS）調度演算法是一種最簡單的調度演算法，該演算法既可用於作業調度， 也可用於進程調度。FCFS演算法比較有利於長作業（進程），而不利於短作業（進程）。由此可知，本演算法適合於CPU繁忙型作業， 而不利於I/O繁忙型的作業（進程）。

2. 短作業（進程）優先調度演算法。

短作業（進程）優先調度演算法（SJ/PF）是指對短作業或短進程優先調度的演算法，該演算法既可用於作業調度， 也可用於進程調度。但其對長作業不利；不能保證緊迫性作業（進程）被及時處理；作業的長短只是被估算出來的。

二、FPF高優先權優先調度演算法

1. 優先權調度演算法的類型。

為了照顧緊迫性作業，使之進入系統後便獲得優先處理，引入了最高優先權優先（FPF）調度演算法。 此演算法常被用在批處理系統中，作為作業調度演算法，也作為多種操作系統中的進程調度，還可以用於實時系統中。當其用於作業調度， 將後備隊列中若干個優先權最高的作業裝入內存。當其用於進程調度時，把處理機分配給就緒隊列中優先權最高的進程，此時， 又可以進一步把該演算法分成以下兩種：

1)非搶占式優先權演算法

2)搶占式優先權調度演算法（高性能計算機操作系統）

2. 優先權類型 。

對於最高優先權優先調度演算法，其核心在於：它是使用靜態優先權還是動態優先權， 以及如何確定進程的優先權。

3.動態優先權

高響應比優先調度演算法為了彌補短作業優先演算法的不足，我們引入動態優先權，使作業的優先等級隨著等待時間的增加而以速率a提高。 該優先權變化規律可描述為：優先權=（等待時間+要求服務時間）/要求服務時間；即 =（響應時間）/要求服務時間

三、基於時間片的輪轉調度演算法

1.時間片輪轉法。

時間片輪轉法一般用於進程調度，每次調度，把CPU分配隊首進程，並令其執行一個時間片。 當執行的時間片用完時，由一個記時器發出一個時鍾中斷請求，該進程被停止，並被送往就緒隊列末尾；依次循環。

2. 多級反饋隊列調度演算法

多級反饋隊列調度演算法多級反饋隊列調度演算法，不必事先知道各種進程所需要執行的時間，它是目前被公認的一種較好的進程調度演算法。 其實施過程如下：

1) 設置多個就緒隊列，並為各個隊列賦予不同的優先順序。在優先權越高的隊列中， 為每個進程所規定的執行時間片就越小。

2) 當一個新進程進入內存後，首先放入第一隊列的末尾，按FCFS原則排隊等候調度。 如果他能在一個時間片中完成，便可撤離；如果未完成，就轉入第二隊列的末尾，在同樣等待調度…… 如此下去，當一個長作業（進程）從第一隊列依次將到第n隊列（最後隊列）後，便按第n隊列時間片輪轉運行。

3) 僅當第一隊列空閑時，調度程序才調度第二隊列中的進程運行；

僅當第1到第（ i-1 ）隊列空時， 才會調度第i隊列中的進程運行，並執行相應的時間片輪轉。

4) 如果處理機正在處理第i隊列中某進程，又有新進程進入優先權較高的隊列， 則此新隊列搶占正在運行的處理機，並把正在運行的進程放在第i隊列的隊尾。

D. 進程調度方案設計 實現一個基本動態優先順序的調度演算法

前兩天做操作系統作業的時候學習了一下幾種進程調度演算法，在思考和討論後，有了一些自己的想法，現在就寫出來，跟大家討論下。，或者說只有有限的CPU資源，當系統中有多個進程處於就緒狀態，要競爭CPU資源時，操作系統就要負責完成如何分配資源的任務。在操作系統中，由調度程序來完成這一選擇分配的工作，調度程序所使用的演算法即是調度演算法。調度演算法需要考慮的指標主要有盡量保證CPU資源分配的公平性；按照一定策略強制執行演算法調度；平衡整個計算機系統，盡量保持各個部分都處於忙碌狀態。而根據系統各自不同的特點和要求，調度演算法又有一些側重點和目標不同，因此，演算法按照系統差異主要分為三大類：批處理系統中的調度演算法，代表調度演算法有：先來遲轎斗先服務、最短作業優先、最短剩餘時間優先。互動式系統中的調度演算法，代表調度演算法有：輪轉調度、優先順序調度、多級隊列、最短進程優先、保證調度、彩票調度、公平分享調度。實時系統中的調度演算法，代表調度演算法有：速率單調調度、最早最終時限優先調度。下面就上述提到的調度演算法中挑出幾個進行重點分析：保證調度保證調度是指利用演算法向用戶做出明確的性能保證，然後盡力按照此保證實現CPU的資源分配。利用這種演算法，就是定一個進程佔用CPU的時間的標准，然後按照這個標准去比較實際佔用CPU的時間，調度進程每次使離此標准最遠的進程得到資源，不斷滿足離所保證的標准最遠的進程，從而平衡資源分配滿足這個標準的要求。保證調度演算法的優點是：能很好的保證進程公平的CPU份額，當系統的特點是：進程的優先順序沒有太大懸殊，所制定的保證標准差異不大，各個進程對CPU的要求較為接近時，比如說系統要求n個進程中的每個進程都只佔用1/n的CPU資源，利用保證調度可以很容易的實現穩定的CPU分配要求。但缺點是，這種情況太過理想，當系統的各個進程對CPU要求的緊急程度不同，所制定的保證較為復雜的時候，這個演算法實現起來比較困難。彩票調度彩票調度這種演算法的大意是指向進程提供各種系統資源如CPU資源的彩票，當系統需要做出調度決策時，隨機抽出一張彩票，由此彩票的擁有者獲得資源。在彩票調度系統中，如果有一個新的進程出現並得到一些彩票，那麼在下一次的抽獎中，該進程會有同它持有彩票數量成正比例的機會贏得獎勵。進程持有的彩票數量越多，則被抽中的可能性就越大。調度程序可以通過控制進程的彩票持有數量來進行調度。彩票調度有很多優點：首先，它很靈活，系統增加分給某個進程的彩票數量，就會大大增加它佔用資源的可能性，可以說，彩票調度的反應是迅速的，而快速響應需求正是互動式系統的一個重要要求。其次，彩票調度演算法中，進程可以交換彩票，這個特點可以更好的保證系統的平衡性，使其各個部分都盡可能的處於忙碌狀態。而且利用彩票調度還可以解決許多別的演算法很難解決的問題，例如可以根據特定的需要大致成比例的劃分CPU的使用。速率單調調度速率單調調度演算法是一種可適用於可搶占的周期性進程的經典靜態實時調度演算法。當實時系統中的進程滿足：每個周期性進程必須在其周期內完成，且進程之間沒有相互依賴的關系，每個進程在一次突發中需要相同的CPU時間量，非周期的進程都沒有最終時限四個條件時，並且為了建模方便，我們假設進程搶占即刻發生沒有系統碼磨開銷，可以考慮利用速率單調演算法。速率單調調度演算法是將進程的速率（按照進程周期所算出的每秒響應的次數）賦為優先順序，則保證了優先順序與進程速率成線性關系，這即是我們所說的速率單調。調度程序每次運行優先順序最高的，只要優先順序較高的程序需要運行，則立即搶占優先順序低的進程，而優先順序較低的進程必須等所有優先順序高於它的進程結束後才能運行。速率單調調度演算法可以保證系統中最關鍵的任務總是得到調度，但是缺點是其作為一種靜態演算法，靈活性不夠好，當進程數變多，系統調度變得復雜時，可能不能較好的保證進程在周期內運行。最早最終時限優先調度最早最終時限優先調度演算法是一個動態演算法，不要求進程是周期性的，只要帆李一個進程需要CPU時間，它就宣布它的到來時間和最終時限。調度程序維持一個可運行的進程列表，按最終時限排序，每次調度一個最終時限最早的進程得到CPU 。當新進程就緒時，系統檢查其最終時限是否在當前運行的進程結束之前，如果是，則搶占當前進程。由於是動態演算法，最早最終優先調度的優點就是靈活，當進程數不超過負載時，資源分配更優，但也同樣由於它的動態屬性，進程的優先順序都是在不斷變化中的，所以也沒有哪個進程是一定可以保證滿足調度的，當進程數超過負載時，資源分配合理度會急速下降，所以不太穩定。

E. 操作系統的進程調度演算法[總結]

操作系統的進程調度演算法直接關繫到用戶的使用體驗。

如果把用戶的體驗時間，引入到計算機裡面，我們引入以下幾個概念。

周轉時間，指作業從提交系統開始，直到作業完成為止的時間間隔。包括：

是指作業周轉時間與作業實際運行服務時間的比值。
平均周轉時間和平均帶權周轉時間是衡量批處理系統調度演算法的重要准則。

先來先服務調度演算法（First Come First Served, FCFS）是最簡單的調度演算法，可以用於作業調度和進程調度。
按照作業進入系統後備作業隊列的先後次序來挑選作業，加入就緒隊列，等待執行。

FCFS是非搶占式的，易於實現，效率不高，性能不好.
有利於長作業（CPU繁忙性）而不利於短作業（I/O繁忙性）。

服務時間：作業需要運行的時間
完成時間 = 開始時間 + 服務時間
等待時間 = 開始時間 - 提交時間
周轉時間 = 完成時間 - 提交時間
帶權周轉時間 = 周轉時間 / 服務時間
響應比 = （等待時間 + 服務時間） / 服務時間 = 等待時間/服務時間 + 1

該演算法每次從後備作業隊列中挑選估計服務時間最短的一個或幾個作業，
將他們調入內存，分配必要的資源，創建進程並放入就緒隊列。
在進程調度中的原理類似。

SJF是非搶占式的，優先照顧短作業，具有很好的性能，降低平均等待時間，提高吞吐量。
但是不利於長作業，長作業可能一直處於等待狀態，出現飢餓現象；
完全未考慮作業的優先緊迫程度，不能用於實時系統。

高響應比優先調度演算法（Highest Reponse Ratio First, HRRF）是非搶占式的，主要用於作業調度。
基本思想：每次進行作業調度時，先計算後備作業隊列中每個作業的響應比，挑選最高的作業投入系統運行。
響應比 = （等待時間 + 服務時間） / 服務時間 = 等待時間 / 服務時間 + 1

由響應比分析可知，該演算法介於FCFS和SJF之間，但是每次需要計算每個作業的響應比，增加系統開銷。