OS中不同CPU调度算法的比较

操作系统中的CPU调度算法决定了进程在何时被调入CPU运行、以何种优先级运行以及被调度到CPU的时间长度等。不同的调度算法会带来不同的性能和效率。本文将会介绍几种常见的CPU调度算法，并进行比较。

先来先服务（FCFS）

先来先服务，也叫FIFO（先进先出），是最简单、最容易实现的一种调度算法。按进入队列的顺序处理，即先到达的进程先执行，直到该进程执行完毕或阻塞后，才会执行下一个进程。FCFS算法的主要优点是容易实现，但是它会带来长的等待时间（特别是当CPU繁忙的时候），这可能会造成其他服务质量下降。

示例代码：

1. P1 -> (0, 5)  // 进程P1在0时刻到达，需要执行5个时间单位
2. P2 -> (3, 2)  // 进程P2在3时刻到达，需要执行2个时间单位
3. P3 -> (6, 4)  // 进程P3在6时刻到达，需要执行4个时间单位

按照FCFS算法执行这三个进程，先执行P1，再执行P2，最后执行P3。总的运行时间是11个单位时间。

最短作业优先（SJF）

在SJF算法中，操作系统按照处理时间最短的进程先执行，以此来减少平均等待时间，提高CPU利用率。当一个进程即将被调度时，操作系统需要预先估计这个进程的处理时间，如果预估不准，执行时间可能比其他算法更长。另外，SJF算法还存在着潜在的饥饿问题（即，某些进程长时间无法得到执行），特别是在短作业的面前。

示例代码：

1. P1 -> (0, 5)   // 进程P1在0时刻到达，需要执行5个时间单位
2. P2 -> (0, 2)   // 进程P2在0时刻到达，需要执行2个时间单位
3. P3 -> (3, 4)   // 进程P3在3时刻到达，需要执行4个时间单位
4. P4 -> (6, 3)   // 进程P4在6时刻到达，需要执行3个时间单位

按照SJF算法执行这四个进程，先执行P2，再执行P1，然后执行P4，最后执行P3。总的运行时间是14个单位时间。

优先级调度（Priority Scheduling）

在优先级调度算法中，每个进程都被赋予一个优先级，CPU优先执行优先级较高的进程。优先级可以是个数值，也可以被分类为多个等级。在该算法中，存在高优先级进程饥饿的问题（即，高优先级进程会比低优先级进程拥有更多的执行时间），为了避免这个问题，通常使用了动态调整优先级的技术，如Aging。

示例代码：

1. P1 -> (0, 5, 3)   // 进程P1在0时刻到达，需要执行5个时间单位，优先级为3
2. P2 -> (1, 3, 1)   // 进程P2在1时刻到达，需要执行3个时间单位，优先级为1
3. P3 -> (2, 8, 2)   // 进程P3在2时刻到达，需要执行8个时间单位，优先级为2
4. P4 -> (3, 6, 4)   // 进程P4在3时刻到达，需要执行6个时间单位，优先级为4

按照优先级调度算法执行这四个进程，先执行P4，再执行P1，然后执行P3，最后执行P2。总的运行时间是22个单位时间。

时间片轮转（Round Robin）

时间片轮转是一种基于时间片的调度算法。在该算法中，所有进程都被分配一个时间片，当CPU使用完一个时间片后，会强制将其规定的时间片分配给下一个进程。如果进程在分配的时间片内没有被执行完，操作系统会将该进程切换到队列的尾部并分配下一个进程。时间片的大小是根据具体情况而定，通常为10ms到100ms这个范围。

示例代码：

1. P1 -> (0, 6)  // 进程P1在0时刻到达，需要执行6个时间单位
2. P2 -> (2, 4)  // 进程P2在2时刻到达，需要执行4个时间单位
3. P3 -> (4, 2)  // 进程P3在4时刻到达，需要执行2个时间单位
4. P4 -> (6, 8)  // 进程P4在6时刻到达，需要执行8个时间单位
5. P5 -> (8, 8)  // 进程P5在8时刻到达，需要执行8个时间单位

假设时间片大小为2，按照时间片轮转算法执行这五个进程：
第一个时间片 (0-2) -> 执行P1；
第二个时间片 (2-4) -> 执行P2；
第三个时间片 (4-6) -> 执行P3；
第四个时间片 (6-8) -> 执行P4；
第五个时间片 (8-10) -> 执行P5；
第六个时间片 (10-12) -> 执行P1；
第七个时间片 (12-14) -> 执行P4；
......
最后执行完成所有进程。

总的运行时间依赖于时间片的长度，通常来说，时间片越小，进程调度次数越多，而且平均等待时间与响应时间都会下降。但是，如果时间片太小，进程调度的开销将会变得很大。所以，选择合适的时间片对于时间片轮转算法非常重要。

比较

• 计算复杂度：时间片轮转算法 >= 优先级调度算法 >= 最短作业优先算法 > 先来先服务算法
• 平均等待时间：最短作业优先算法 > 优先级调度算法 > 时间片轮转算法 > 先来先服务算法
• 响应时间：最短作业优先算法 >= 优先级调度算法 > 时间片轮转算法 > 先来先服务算法
• 执行效率：先来先服务算法 > 最短作业优先算法 > 时间片轮转算法 > 优先级调度算法

综合考虑各种算法的特征和性能，一些系统采用了Multilevel Feedback Queue（多层反馈队列）算法。该算法使用多个队列，将进程分为多个不同的类别，然后对不同类别的进程分配不同的优先级，并针对不同场景选择不同的调度算法。例如，如果有许多短作业，则使用SJF算法；如果CPU繁忙，则使用时间片轮转算法等。