《课件调度算法》课件

课件调度算法课程概述课程目标掌握各类调度算法原理学习内容基础理论与算法实例分析考核方式第一章：调度算法基础调度的概念进程执行顺序的决策机制调度的目的提高系统资源利用率调度的层次调度的类型1短程调度CPU调度，频率最高2中程调度内存与交换调度3长程调度作业调度，频率最低进程状态转换运行态正在CPU上执行就绪态等待分配CPU阻塞态等待某事件发生创建态进程正在被创建终止态进程执行完毕调度算法评价指标周转时间提交到完成的时间等待时间进程在就绪队列中的总时间CPU利用率CPU忙碌时间百分比吞吐量单位时间内完成进程数第二章：先来先服务(FCFS)调度算法算法原理按进程到达顺序分配CPU数据结构使用队列存储就绪进程实现方法简单队列管理，先进先出FCFS算法示例进程到达时间执行时间完成时间周转时间P10242424P2132726P3263331FCFS算法优缺点分析优点实现简单直观无饥饿现象适合批处理系统缺点平均等待时间可能较长护航效应明显不利于交互式系统第三章：短作业优先(SJF)调度算法算法原理选择执行时间最短的进程优先级确定执行时间越短优先级越高实现方法优先队列或排序链表SJF算法示例SJF算法优缺点分析优点平均等待时间最短平均周转时间最佳系统吞吐量高缺点长作业可能饥饿需预知执行时间不适合交互系统第四章：优先级调度算法算法原理按进程优先级高低调度静态优先级进程创建时确定不变动态优先级运行过程中可调整优先级调度算法示例进程到达时间执行时间优先级执行顺序P101032P21611P32244P43423优先级反转问题及解决方案问题定义低优先级进程阻塞高优先级进程发生原因资源竞争与互斥访问优先级继承临时提升资源持有者优先级优先级天花板预设资源访问最高优先级第五章：轮转调度算法(RR)算法原理每个进程分配固定时间片时间片耗尽进程回到队列尾部时间片选择过长类似FCFS，过短增加开销循环执行直到所有进程完成RR算法示例4进程数P1,P2,P3,P420ms时间片每进程每轮获得时长3轮转次数最长进程需要的轮数RR算法优缺点分析优点公平性好响应时间短适合交互系统无进程饥饿缺点平均周转时间较长上下文切换开销大时间片选择困难第六章：多级反馈队列调度算法算法原理多个优先级队列动态调整队列设置高优先级短时间片，低优先级长时间片优先级降低时间片用完降至低优先级队列多级反馈队列调度算法示例第一级队列优先级最高，时间片8ms第二级队列中等优先级，时间片16ms第三级队列优先级最低，时间片32ms多级反馈队列调度算法优缺点分析优点兼顾交互性和周转时间动态调整进程优先级响应时间短自适应能力强缺点实现复杂参数设置难度大可能出现饥饿现象开销较大第七章：高响应比优先调度算法(HRRN)算法原理综合考虑等待时间和服务时间响应比计算响应比=(等待时间+服务时间)/服务时间调度原则选择响应比最高的进程HRRN算法示例进程到达时间服务时间等待时间响应比调度顺序P101001.01P22582.62P338122.53HRRN算法优缺点分析优点考虑等待时间因素防止短作业优先的饥饿现象平衡周转时间和响应时间缺点需要预知服务时间计算开销相对较大非抢占式特性限制响应性第八章：多处理器调度算法负载均衡使各处理器工作负荷均衡亲和性调度进程尽量运行在同一CPU上队列结构全局队列与每CPU本地队列负载迁移动态平衡各CPU工作负载多处理器调度算法示例负载前负载后第九章：实时调度算法实时系统特点时间约束严格可预测性要求高响应时间是关键硬实时系统任务必须在截止期限内完成超时导致系统失效例如：飞行控制系统软实时系统允许偶尔错过截止期限性能下降但不失效例如：视频播放系统速率单调调度算法(RMS)算法原理周期短的任务优先级高可调度条件n个任务总利用率≤n(2^(1/n)-1)任务特性周期任务，固定执行时间优先级分配静态优先级，周期越短优先级越高最早截止时间优先算法(EDF)算法原理截止时间最早的任务优先动态优先级根据当前截止时间动态调整理论利用率处理器利用率可达100%最低松弛度优先算法(LLF)算法原理选择松弛度最小的任务松弛度计算松弛度=截止时间-当前时间-剩余执行时间优先级变化动态优先级，频繁重新计算第十章：公平调度算法完全公平调度(CFS)模拟理想的多任务处理器虚拟运行时间记录进程已获得的CPU时间红黑树结构基于虚拟运行时间排序调度周期动态根据系统负载调整CFS算法示例虚拟运行时间进程P1:145ms虚拟运行时间进程P2:120ms虚拟运行时间进程P3:90ms调度决策选择P3执行（最小虚拟时间）4第十一章：多队列调度算法多队列设计不同类型进程使用不同队列队列间调度确定各队列服务顺序与比例队列内调度各队列可使用不同调度算法多队列调度算法示例1系统进程队列FCFS算法，最高优先级2交互进程队列RR算法，中等优先级3批处理队列SJF算法，最低优先级第十二章：随机调度算法随机选择原理以概率方式选择下一执行进程彩票调度分配彩票数量代表优先级公平性保证长期运行结果接近权重比例随机调度算法示例P1P2P3P4第十三章：I/O调度算法磁盘特性寻道时间是主要瓶颈I/O请求特点位置随机，需优化访问顺序常见算法FCFS、SSTF、SCAN、C-SCANSCAN算法电梯算法原理磁头单向移动直到尽头再反向上升扫描磁头从低磁道向高磁道移动下降扫描磁头从高磁道向低磁道移动C-SCAN算法循环扫描原理单向服务请求，快速返回起点向上扫描处理上行路径所有请求2快速返回到达最高磁道立即返回最低磁道重新扫描从最低磁道重新开始向上扫描LOOK和C-LOOK算法LOOK算法SCAN改进版本无需扫描至磁盘两端到达最远请求处即反向C-LOOK算法C-SCAN改进版本单向扫描减少方向变化最远请求处直接返回不访问无请求区域第十四章：网络调度算法数据包调度决定数据包发送顺序带宽分配公平分配网络资源延迟控制保障实时业务服务质量流量控制防止网络拥塞加权公平排队(WFQ)算法语音视频网页邮件第十五章：作业调度算法批处理特点一次性提交多个作业作业调度决定作业进入系统顺序进程调度决定进程获取CPU的顺序最短作业优先(SJF)在作业调度中的应用30%周转时间减少相比FCFS作业调度25%吞吐量提升单位时间处理作业数量40%平均等待时间降低提高用户满意度第十六章：分布式系统调度算法负载均衡将计算任务分散到多个节点任务迁移在节点间动态转移工作负载资源发现找到可用计算资源容错处理节点失效时重新调度任务分布式调度算法示例任务分配前任务分配后第十七章：能耗感知调度算法能耗优化目标降低功耗同时保持性能DVFS技术动态调整处理器电压频率休眠状态管理闲置组件进入低功耗模式热管理避免热点区域过度使用能耗感知调度算法示例性能能耗第十八章：调度算法在操作系统中的实现Linux调度器O(1)调度器完全公平调度器(CFS)实时调度器(RT)BF调度器(BFS)Windows调度器多级反馈队列抢占式优先级调度处理器亲和性量子值动态调整LinuxCFS调度器详解发展历程2.6.23内核引入，替代O(1)调度器数据结构红黑树存储就绪进程公平性实现虚拟运行时间追踪CPU使用用户交互通过nice值设置进程权重Windows调度器详解优先级分类32个优先级级别优先级提升I/O完成导致临时提升量子值调整前台应用获更多处理器时间处理器亲和性线程优先在指定CPU上运行第十九章：调度算法性能评估模拟仿真算法模型构建工作负载生成性能指标收集结果统计分析实际系统测试基准测试程序真实应用场景性能监控工具数据处理与可视化调度算法性能指标对比响应时间吞吐量公平性第二十章：调度算法优化技术调度开销降低减少上下文切换频率缓存亲和性优化提高缓存命中率锁竞争减少避免共享资源争用NUMA感知调度考虑内存访问局部性调度算法优化案例分析优化前上下文切换频繁缓存命中率低进程频繁迁移响应时间不稳定优化策略时间片调整亲和性设置优先级调整NUMA优化优化后上下文切换减少40%缓存命中率提升25%吞吐量提高15%响应时间稳定第二十一章：新兴调度算法研究机器学习调度自适应负载预测与资源分配量子调度量子计算资源管理新模型异构计算调度CPU/GPU协