调度算法-操作系统的指挥棒
# 前言
在操作系统的世界里，CPU就像一个忙碌的厨师，而进程则是等待处理的订单。如果没有一个好的"点餐系统"，厨房就会陷入混乱，订单积压，顾客抱怨。🍳➡️🍔 这个"点餐系统"就是我们要探讨的调度算法！
在我之前写的进程与线程-操作系统的核心调度单元中，我们已经了解了进程和线程的基本概念。但今天，我想深入探讨操作系统如何决定哪个进程应该获得CPU的使用权，以及这些决策背后的算法原理。
提示
调度算法是操作系统的核心组件之一，它直接影响系统的性能、响应时间和公平性。
# 为什么调度算法如此重要？
想象一下，如果没有调度算法，CPU会怎样？它可能会一直执行一个进程，而其他进程则永远无法运行，这就是所谓的"饥饿"现象。😵 或者，CPU可能会在进程之间频繁切换，导致系统效率低下。
调度算法的目标是：
- CPU利用率最大化 - 让CPU尽可能忙碌
- 系统吞吐量最大化 - 在单位时间内完成尽可能多的进程
- 周转时间最小化 - 从进程提交到完成的时间尽可能短
- 等待时间最小化 - 进程在就绪队列中等待的时间尽可能短
- 响应时间最小化 - 从用户提交请求到首次响应的时间尽可能短
# 调度算法的分类
调度算法主要可以分为两大类：非抢占式调度和抢占式调度。
# 非抢占式调度
在非抢占式调度中，一旦CPU分配给一个进程，该进程会一直使用CPU，直到它完成或自愿放弃CPU控制权。
THEOREM
非抢占式调度的特点：
- 简单实现
- 不会出现上下文切换的开销
- 可能导致短进程等待长进程完成
常见的非抢占式调度算法包括：
# 先来先服务（FCFS）
FCFS是最简单的调度算法，按照进程到达的顺序进行调度。
gantt
title FCFS调度示例
dateFormat X
axisFormat %s
section 进程
进程A ：a1, 0, 5
进程B ：a2, 5, 3
进程C ：a3, 8, 4
2
3
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5
6
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FCFS的优点是简单公平，缺点是可能导致"护航效应"——短进程可能被长进程阻塞。
# 最短作业优先（SJF）
SJF算法优先执行预计运行时间最短的进程。
gantt
title SJF调度示例
dateFormat X
axisFormat %s
section 进程
进程B ：a1, 0, 3
进程C ：a2, 3, 4
进程A ：a3, 7, 5
2
3
4
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7
8
9
SJF可以最小化平均等待时间，但需要预知进程的运行时间，且可能导致长进程"饥饿"。
# 抢占式调度
在抢占式调度中，操作系统可以强制剥夺当前进程的CPU使用权，并将其分配给另一个更重要的进程。
THEOREM
抢占式调度的特点：
- 更好的响应性
- 防止长进程垄断CPU
- 需要更复杂的实现和上下文切换机制
# 最短剩余时间优先（SRTF）
SRTF是SJF的抢占式版本，如果新进程的剩余时间比当前进程的剩余时间短，则抢占当前进程。
# 优先级调度
为每个进程分配一个优先级，调度器总是选择优先级最高的进程运行。
gantt
title 优先级调度示例
dateFormat X
axisFormat %s
section 进程
高优先级进程 ：a1, 0, 3
低优先级进程 ：a2, 0, 6
中优先级进程 ：a3, 3, 4
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优先级调度可以确保重要任务优先执行，但需要仔细设计优先级分配机制，防止低优先级进程"饥饿"。
# 轮转调度（RR）
轮转调度将CPU时间划分为固定大小的"时间片"，每个进程轮流获得一个时间片。
gantt
title 轮转调度示例 (时间片=2)
dateFormat X
axisFormat %s
section 进程
进程A ：a1, 0, 2
进程B ：a2, 2, 2
进程C ：a3, 4, 2
进程A ：a4, 6, 3
进程B ：a5, 9, 1
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轮转调度保证了公平性，适合分时系统，但时间片大小的选择对性能影响很大。
# 多级队列调度
将进程分为不同优先级的队列，每个队列有自己的调度算法。
# 多级反馈队列调度
这是最通用的一种调度算法，允许进程在队列之间移动，根据进程的行为动态调整其优先级。
# 现代操作系统中的调度实践
现代操作系统通常采用复杂的混合调度策略：
- Linux Completely Fair Scheduler (CFS)：使用红黑树实现虚拟运行时间跟踪，确保公平性
- Windows调度器：基于优先级的32级调度，结合多处理器亲和性
- macOS调度器：混合了优先级和公平性的调度算法
"调度算法没有最好的，只有最适合特定场景的。"
# 个人建议
作为开发者，了解调度算法有助于我们：
- 编写更高效的代码，减少不必要的CPU占用
- 理解系统性能问题的根源
- 在实时系统中正确设置进程优先级
- 避免编写会导致"优先级反转"的代码
如果你对调度算法感兴趣，我建议你：
- 尝试实现一个简单的调度器模拟程序
- 使用
strace或perf等工具观察进程调度行为 - 阅读Linux内核源码中的CFS实现
# 结语
调度算法是操作系统的"指挥棒"，它决定了各个进程如何共享宝贵的CPU资源。从简单的FCFS到复杂的CFS，调度算法的演进反映了计算机系统从批处理到分时系统，再到实时系统的演变。
虽然调度算法的设计充满挑战，但正是这些精巧的算法，让我们的计算机能够同时处理多个任务，为用户提供流畅的体验。
在下一篇文章中，我们将探讨另一个操作系统的重要主题——死锁，看看当进程互相等待资源时，操作系统如何应对这种"僵局"。
希望这篇文章能帮助你更好地理解操作系统中的调度算法！如果你有任何问题或建议，欢迎在评论区留言讨论。👇