操作系统中的 CPU 调度
完成流程/工作的调度以按时完成工作。
下面是关于一个过程的不同时间。
Arrival Time: Time at which the process arrives in the ready queue.
Completion Time: Time at which process completes its execution.
Burst Time: Time required by a process for CPU execution.
Turn Around Time: Time Difference between completion time and arrival time.
Turn Around Time = Completion Time – Arrival Time
Waiting Time(W.T): Time Difference between turn around time and burst time.
Waiting Time = Turn Around Time – Burst Time
为什么我们需要调度？
一个典型的过程涉及 I/O 时间和 CPU 时间。在像 MS-DOS 这样的 uni 编程系统中，等待 I/O 的时间被浪费了，而 CPU 在这段时间内是空闲的。在多编程系统中，一个进程可以使用 CPU，而另一个进程正在等待 I/O。这只有通过进程调度才有可能。
进程调度算法的目标
Max CPU utilization [Keep CPU as busy as possible]
Fair allocation of CPU.
Max throughput [Number of processes that complete their execution per time unit]
Min turnaround time [Time taken by a process to finish execution]
Min waiting time [Time a process waits in ready queue]
Min response time [Time when a process produces first response]
不同的调度算法
先来先服务（FCFS）：最简单的调度算法，根据进程的到达时间进行调度。先来先服务调度算法指出，先请求 CPU 的进程首先分配 CPU。它是通过使用 FIFO 队列实现的。当一个进程进入就绪队列时，它的 PCB 被链接到队列的尾部。当 CPU 空闲时，它被分配给位于队列头部的进程。然后从队列中删除正在运行的进程。 FCFS 是一种非抢占式调度算法。
注意：先到先得会受到车队效应的影响。
最短作业优先（SJF）：最先调度突发时间最短的进程。如果两个进程的突发时间相同，则使用 FCFS 来打破平局。它是一种非抢占式调度算法。
Longest Job First (LJF)：类似于 SJF 调度算法。但是，在这种调度算法中，我们优先考虑突发时间最长的进程。这本质上是非抢占式的，即当任何进程开始执行时，在完成执行之前不能被中断。
Shortest Remaining Time First (SRTF)： SJF算法的抢占方式，按照最短剩余时间调度作业。
Longest Remaining Time First (LRTF)： LJF算法的抢占模式，优先处理剩余突发时间最大的进程。
Round Robin Scheduling：每个进程循环分配一个固定的时间（Time Quantum/Time Slice），专为分时系统设计。就绪队列被视为循环队列。 CPU 调度程序绕过就绪队列，将 CPU 分配给每个进程，时间间隔最多为 1 时间量程。为了实现循环调度，我们将就绪队列保留为进程的 FIFO 队列。新进程被添加到就绪队列的尾部。 CPU 调度程序从就绪队列中选择第一个进程，设置一个定时器在 1 次时间间隔后中断，并调度该进程。然后会发生两件事之一。该进程可能具有小于 1 次量子的 CPU 突发。在这种情况下，进程本身会主动释放 CPU。然后调度程序将继续到就绪队列中的下一个进程。否则，如果当前正在运行的进程的 CPU 突发大于 1 时间量程，则计时器将关闭并导致操作系统中断。将执行上下文切换，并将进程置于就绪队列的尾部。然后 CPU 调度程序将选择就绪队列中的下一个进程。
基于优先级的调度（Non-Preemptive）：在这种调度中，进程根据其优先级进行调度，即优先级最高的进程首先被调度。如果两个进程的优先级匹配，则根据到达时间进行调度。这里可能会导致过程饥饿。
Highest Response Ratio Next (HRRN)：在这个调度中，调度响应率最高的进程。该算法避免饥饿。
Response Ratio = (Waiting Time + Burst time) / Burst time多级队列调度：根据进程的优先级，将进程放在不同的队列中。通常高优先级进程被放置在顶级队列中。只有在顶级队列中的进程完成后，才会调度低级队列进程。它可能会饿死。
多级反馈队列调度：它允许进程在队列之间移动。这个想法是根据进程的 CPU 突发特性来分离进程。如果进程使用过多 CPU 时间，则会将其移至优先级较低的队列。
关于调度算法的一些有用的事实：
- FCFS 会导致等待时间过长，尤其是当第一个作业占用太多 CPU 时间时。
- SJF 和最短剩余时间优先算法都可能导致饥饿。考虑这样一种情况：就绪队列中存在长进程，而较短的进程不断出现。
- 如果 Round Robin 调度的时间量很大，那么它的行为与 FCFS 调度相同。
- SJF 就给定的一组进程的平均等待时间而言是最佳的，即这种调度的平均等待时间最短，但问题是如何知道/预测下一个作业的时间。
锻炼：
S1：它导致最小平均等待时间
S2：它会导致饥饿
(A) 只有 S1
(B) 只有 S2
(C) S1 和 S2
(D) 既不是 S1 也不是 S2
答案 (D)
S1 是真的 SJF 总是会给出最短的平均等待时间。
S2 是真的 SJF 会导致饥饿。
Process Arrival time Burst Time
P0 0 ms 9 ms
P1 1 ms 4 ms
P2 2 ms 9 ms使用抢占式最短作业优先调度算法。调度仅在流程到达或完成时进行。三个进程的平均等待时间是多少？
(A) 5.0 毫秒
(B) 4.33 毫秒
(三) 6.33
(四) 7.33
解决方案 ：
答案： – (A)
由于就绪队列中没有其他进程，因此进程 P0 在 0 毫秒时被分配处理器。 P0 在 1 ms 后被抢占，因为 P1 在 1 ms 到达并且 P1 的突发时间小于 P0 的剩余时间。 P1 运行 4ms。 P2 到达 2 ms 但 P1 继续，因为 P2 的突发时间比 P1 长。 P1 完成后，P0 再次被调度，因为 P0 的剩余时间小于 P2 的突发时间。
P0 等待 4 ms，P1 等待 0 ms，P2 等待 11 ms。所以平均等待时间是 (0+4+11)/3 = 5。
Process Arrival Time Burst Time
P1 0 5
P2 1 3
P3 2 3
P4 4 1使用抢占式最短剩余处理时间优先 (SRPT) 算法的这些进程的平均周转时间是多少？
(一) 5.50
(乙) 5.75
(C) 6.00
(四) 6.25
答案 (A)
解决方案：
以下是执行甘特图
| P1 | P2 | P4 | P3 | P1 |
| 1 | 4 | 5 | 8 | 12 |
周转时间 = 完成时间 - 到达时间
平均周转时间 = (12 + 3 + 6+ 1)/4 = 5.50
Process Execution time Arrival time
P1 20 0
P2 25 15
P3 10 30
P4 15 45进程 P2 的总等待时间是多少？
(一) 5
(乙) 15
(C) 40
(四) 55
答案 (B)
在时间 0，P1 是唯一的进程，P1 运行了 15 个时间单位。
在时间 15，P2 到达，但 P1 的剩余时间最短。所以 P1 再继续 5 个时间单位。
在时间 20，P2 是唯一的进程。所以它运行了 10 个时间单位
在时间 30，P3 是最短的剩余时间过程。所以它运行了 10 个时间单位
在时间 40，P2 运行，因为它是唯一的进程。 P2 运行 5 个时间单位。
在时间 45，P3 到达，但 P2 的剩余时间最短。所以 P2 继续了 10 个以上的时间单位。
P2 在时间 55 完成执行
Total waiting time for P2 = Completion time - (Arrival time + Execution time)
= 55 - (15 + 25)
= 15更多问题请参考 CPU 调度测验。
参考：
http://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/5_CPU_Scheduling.html
http://codex.cs.yale.edu/avi/os-book/OS8/os8c/slide-dir/PDF-dir/ch5.pdf