计算操作基础实践 6

第7章处理器调度简述3级调度操作系统中的3级调度，指的是作业调度（高级调度）、内存调度（中级调度）和进程调度（低级调度）三级，是处理机调度的三个层次：高级调度（作业调度/长程调度）：位于操作系统的作业管理层次，按一定算法从外存的后备队列中选择作业调入内存，为它们创建进程、分配资源，并将进程置于就绪队列。调度频率最低，以分钟/小时为单位。中级调度（内存调度/中程调度）：为提高内存利用率和系统吞吐量，将暂时不运行的进程从内存调至外存的挂起队列（换出），当内存有空闲时，再将合适的挂起进程调回内存（换入）。调度频率中等，以秒为单位。低级调度（进程调度/短程调度）：位于操作系统内核的处理机管理层次，按一定算法从就绪队列中选择进程，将处理机分配给它执行。调度频率最高，以毫秒为单位，是操作系统中最基本的调度。抢占式调度和非抢占式调度有何区别？对比维度抢占式调度非抢占式调度核心规则当更高优先级/更紧急的进程进入就绪队列时，可强制剥夺当前进程的CPU使用权，将CPU分配给新进程进程一旦获得CPU，就会一直运行直到结束或主动放弃CPU（如I/O阻塞、时间片用完），期间不被其他进程打断响应速度响应速度快，适合实时系统，能及时处理紧急任务响应速度慢，紧急任务需等待当前进程释放CPU系统开销开销较大，需要频繁进行进程上下文切换开销较小，上下文切换次数少典型应用实时操作系统、分时操作系统（时间片轮转本质是抢占式）批处理操作系统、早期的单任务系统周转时间和响应时间有何区别？周转时间：指从进程提交（进入系统）到进程完成（退出系统）的总时间，公式：周转时间=完成时间-到达时间它反映了批处理系统中，进程从提交到完成的整体耗时，衡量系统的批处理效率。响应时间：指从用户提交请求到系统首次给出响应的时间，即用户输入到屏幕输出的延迟时间。它反映了分时/交互系统的用户体验，衡量系统的交互响应速度。核心区别：周转时间关注“进程从提交到结束的总耗时”，响应时间关注“用户请求到系统首次回应的延迟”。周转时间包含响应时间和进程的实际运行时间，而响应时间不包含进程运行到结束的后续时间。多级反馈RR算法中，为什么给不同就绪队列中的进程分配不同长度的时间片？多级反馈轮转法中，不同队列的时间片长度递增（如第1队列时间片为1ms，第2队列2ms，第3队列4ms…），目的是：兼顾短作业和长作业：短作业在高优先级的短时间片队列中即可快速完成，周转时间短；长作业在低优先级的长时间片队列中，减少上下文切换次数，避免频繁调度的开销。实现“反馈”机制：新进程进入最高优先级队列，若在短时间片内完成则直接结束；若未完成则降级到下一级队列，获得更长的时间片，既保证了短作业的响应速度，又减少了长作业的调度开销。平衡系统效率与响应速度：高优先级队列时间片短，保证交互型进程（如用户输入）的响应时间；低优先级队列时间片长，提高计算型进程的CPU利用率，减少切换开销。5.硬实时任务与软实时任务有什么区别？对比维度硬实时任务软实时任务时间约束有严格的截止时间，必须在截止时间前完成，否则会导致系统崩溃、设备故障等严重后果有截止时间，但允许偶尔超过截止时间，超过后不会导致灾难性后果，仅会降低系统性能/用户体验典型场景工业控制、航空航天、医疗设备（如心脏起搏器）、汽车自动驾驶视频会议、在线直播、音频播放、网络游戏调度要求必须使用确定性调度算法，保证任务在截止时间前完成可使用概率性调度算法，通过提高调度优先级尽量满足截止时间容错性容错性极低，一次超时可能导致系统失效容错性较高，偶尔超时用户难以察觉或仅体验下降6.周期实时任务与非周期实时任务有什么区别？对比维度周期实时任务非周期实时任务触发方式按固定时间周期重复触发，任务到达时间是可预测的由外部事件触发，任务到达时间不可预测，具有突发性调度重点重点保证任务的周期性和截止时间，通过静态调度（如速率单调算法）预先分配资源重点处理突发请求，需要动态调度机制，保证紧急任务的截止时间典型场景工业传感器数据采集、电机控制、周期性数据刷新紧急故障报警、用户按键响应、外部中断处理时间特征到达时间、截止时间、执行时间均为已知的固定值到达时间随机，截止时间可能是硬截止或软截止7.进程调度算法计算已知进程信息（单道批处理，忽略调度开销）：进程进入时间执行时间18:002h28:3030min39:006min49:3012min（1）FCFS调度算法（先来先服务）按进程进入系统的先后顺序调度，顺序为1→2→3→4。进程开始时间完成时间周转时间18:0010:002h=120min210:0010:3010:30-8:30=2h=120min310:3010:3610:36-9:00=1h36min=96min410:3610:4810:48-9:30=1h18min=78minSJF调度算法（短作业优先，非抢占式）非抢占式SJF：进程一旦运行，直到结束才释放CPU；新进程到达时，仅在当前进程结束后，从就绪队列中选择执行时间最短的进程。初始状态：8:00，只有进程1到达，调度进程1运行，执行到10:00结束。进程1运行期间，进程2（8:30）、进程3（9:00）、进程4（9:30）陆续到达，进入就绪队列。10:00时，就绪队列中有进程2（30min）、进程3（6min）、进程4（12min），选择执行时间最短的进程3。进程3运行6min，到10:06结束；就绪队列中进程2（30min）、进程4（12min），选择进程4。进程4运行12min，到10:18结束；最后调度进程2，运行30min，到10:48结束。进程开始时间完成时间周转时间18:0010:002h=120min310:0010:0610:06-9:00=1h6min=66min410:0610:1810:18-9:30=48min210:1810:4810:48-8:30=2h18min=138minFCFS调度算法平均周转时间：103.5

min非抢占式SJF调度算法：93

min3个进程的调度算法对比进程信息：进程到达时间执行时间(h)110:002210:101311:500.5FCFS调度算法调度顺序：1→2→3时间计算：进程1：10:00开始，12:00完成，周转时间=12:00-10:00=2h进程2：12:00开始，13:00完成，周转时间=13:00-10:10=2h50min进程3：13:00开始，13:30完成，周转时间=13:30-11:50=1h40min平均周转时间：2.17

h

(或

130

min)非抢占式SJF调度算法调度顺序：P1→P3→P2周转时间：P1：2hP3：12:00～12:30，从11:50到12:30为40min（≈0.6667h）P2：12:30～13:30，从10:10到13:30为3h20min（≈3.3333h）平均周转时间：(2+0.6667+3.3333)/3=6/3=2h（3）HRRN（高响应比优先）调度算法调度顺序：P1→P2→P3（同FCFS）周转时间：在P1完成（12:00）时，P2等待1h50min，响应比=(1.8333+1)/1=2.8333；P3等待10min，响应比=(0.1667+0.5)/0.5=1.3334，故先选P2。平均周转时间：同FCFS，2.1667h时间片长度100ms，进程需200msCPU时间，轮转顺序：A→B→C→A…，到达时间：A=0ms，B=50ms，C=250ms。模拟时间线0～100ms：运行A（剩余100ms），B于50ms到达。10