【作業系統】4.程序排程演算法

程序排程演算法決定了程序在何時、以何種順序被分配到 CPU 上執行。不同的排程演算法適合不同型別的作業系統和應用需求，以下是一些常用的程序排程演算法：

1. 先來先服務排程（FCFS: First-Come, First-Served）

• 演算法原理：按程序到達的先後順序分配 CPU，先到達的程序先被處理。
• 優點：簡單易實現，公平性好。
• 缺點：可能導致“飢餓”問題，即後來的短任務可能要等待很長時間，導致平均等待時間較長。
• 適用場景：適合需要簡單管理的系統，但不適用於需要快速響應的實時系統。

2. 短作業優先排程（SJF: Shortest Job First）

• 演算法原理：選擇估計執行時間最短的程序先執行，可以是非搶佔式或搶佔式。
• 優點：在理想情況下可實現最小的平均等待時間。
• 缺點：無法準確預測程序的執行時間（尤其是動態任務）；可能導致長作業“飢餓”。
• 適用場景：適合批處理系統，適用於已知任務長度的情況。

3. 最短剩餘時間優先（SRTF: Shortest Remaining Time First）

• 演算法原理：這是 SJF 的搶佔式版本。每次有新程序到達時，若新程序的剩餘時間短於當前程序，則搶佔當前程序。
• 優點：能進一步減少平均等待時間。
• 缺點：實時性差，長任務可能長期等待。
• 適用場景：與 SJF 類似，適合批處理系統。

（ 短作業優先 =》減少平均等待時間 ）

4. 優先順序排程（Priority Scheduling）

• 演算法原理：為每個程序分配一個優先順序，優先順序高的程序優先執行。可以是搶佔式或非搶佔式。如果兩個程序優先順序相同，則採用 FCFS 的方式排程。
• 優點：能保證高優先順序任務及時執行。
• 缺點：可能出現“優先順序反轉”（低優先順序程序佔用資源，導致高優先順序程序無法執行）和“飢餓”（長時間得不到排程）問題。透過引入老化機制（逐漸提高長時間等待的程序優先順序）可以緩解飢餓。
• 適用場景：適用於需要根據任務優先順序靈活分配資源的系統，如實時系統。

5. 時間片輪轉排程（Round Robin）

• 演算法原理：為每個程序分配一個固定的時間片，超出時間片則切換到下一個程序，未完成的程序會被放回佇列等待下一次輪到。
• 優點：簡單公平，適合多工系統，能保證每個任務都能得到處理。
• 缺點：時間片長度設定不當可能導致較頻繁的上下文切換，增加了系統開銷；時間片過長又會導致響應變慢。需要根據系統的負載和應用場景來調整，一般在幾毫秒到幾十毫秒之間。
• 適用場景：廣泛應用於分時系統、互動式系統，適合多使用者環境。

6. 多級反饋佇列排程（Multilevel Feedback Queue Scheduling）

• 演算法原理：程序被分配到多個優先順序佇列中，每個佇列有不同的時間片長度和優先順序。優先順序高的佇列時間片較短，優先處理高優先順序佇列的程序。在任務執行過程中，可以動態優先順序調整，即長時間等待的低優先順序程序會被提升到更高的優先順序佇列，以避免長作業飢餓。
• 優點：結合了 短作業優先 和 時間片輪轉 的優點，能夠高效地處理不同型別的任務。它透過根據任務的執行時間動態調整優先順序，可以有效地減少平均等待時間，同時避免長時間的任務阻塞短任務。
• 缺點：演算法複雜，管理多個佇列需要額外開銷。
• 適用場景：適用於需要處理不同型別任務的系統，尤其是需要高響應速度和公平性的作業系統。

7. 實時排程演算法

實時系統中需要特殊的排程演算法，以確保任務在特定時間完成。以下是常見的實時排程演算法：

• 最早截止時間優先（EDF: Earliest Deadline First）：優先執行最接近截止時間的任務，適用於動態優先順序實時系統。
• 最低鬆弛時間優先（LST: Least Slack Time）：計算任務的鬆弛時間（截止時間減去剩餘執行時間），選擇鬆弛時間最小的任務執行。

這些實時排程演算法保證了系統在特定時間內完成高優先順序任務，適合控制系統和嵌入式系統等需要精確時序控制的場景。

擴充：

現代作業系統通常會根據實際需求，將多種排程演算法結合起來使用，以實現最佳的效能和響應速度。例如，Windows 和 Linux 中使用的排程演算法結合了優先順序、時間片輪轉和多級反饋佇列，以適應不同型別的任務和使用者需求。

1）. Windows 作業系統的排程演算法

Windows 的排程演算法基於優先順序排程和多級反饋佇列，同時結合了搶佔式排程。Windows 中將程序分為不同優先順序級別，從 0 到 31，其中：

• 0 級用於系統空閒程序（Idle Process），
• 1 到 15 級用於普通程序（普通使用者程序），
• 16 到 31 級用於實時程序（Real-Time Processes）。

Windows 排程演算法的關鍵特點

1. 優先順序排程：

   • Windows 會根據程序的優先順序來進行排程，高優先順序的程序優先獲得 CPU。優先順序包括 靜態優先順序 和 動態優先順序，動態優先順序在程序執行過程中可能會發生調整，例如長時間沒有獲得 CPU 的低優先順序程序會被提升優先順序，以避免飢餓現象。

2. 搶佔式排程：

   • 如果一個高優先順序程序準備執行，那麼作業系統會立即中斷當前低優先順序程序的執行，並將 CPU 資源分配給高優先順序程序。

3. 時間片輪轉排程：

   • Windows 為普通優先順序的程序分配了固定長度的時間片（時間片長度基於系統的設定和程序的優先順序）。在同一優先順序的程序間，採用時間片輪轉方式來保證公平性。實時程序則不會被時間片輪轉機制影響。

4. 多級反饋佇列：

   • Windows 的排程器使用多級反饋佇列，使系統能靈活管理不同型別的程序，並保證高優先順序程序的快速響應。

排程演算法的應用場景

Windows 的排程演算法設計適合桌面環境和互動式系統，確保高優先順序任務快速響應，使用者操作流暢，同時可以保證普通應用的並行執行。對於實時任務，例如某些驅動程式和系統服務，高優先順序可確保其在需要時立即得到 CPU 資源。

2）. Linux 作業系統的排程演算法

Linux 的排程演算法發展經歷了多個版本，不同版本的排程演算法特性有所不同。目前，Linux 採用的是基於完全公平排程器（CFS, Completely Fair Scheduler）演算法，並結合了優先順序和搶佔式排程特性。

Linux 排程演算法的關鍵特點

1. 完全公平排程器 (CFS)：

   • CFS 的核心思想是分時公平，即每個程序都能夠公平地獲得 CPU 時間。CFS 採用一個 紅黑樹 資料結構來組織程序，紅黑樹中的節點按照程序的 虛擬執行時間 排序。CFS 會優先排程虛擬執行時間最少的程序，保證每個程序能夠平等地獲得 CPU 資源。
   • CFS 不使用時間片的概念，而是計算每個程序的虛擬執行時間來實現公平排程。虛擬執行時間會受到程序優先順序的影響，優先順序越高的程序，其虛擬執行時間的增加速率越慢，從而優先獲得排程機會。

2. 搶佔式排程：

   • CFS 支援搶佔式排程，當有優先順序較高或虛擬執行時間較少的程序進入就緒狀態時，作業系統會搶佔當前正在執行的程序。

3. 實時排程類：

   • 除了普通程序，Linux 還支援 實時程序。實時程序分為 SCHED_FIFO 和 SCHED_RR 兩種排程策略：
     • SCHED_FIFO（先進先出排程）：實時程序根據優先順序進行排程，優先順序高的先執行，沒有時間片限制。
     • SCHED_RR（時間片輪轉排程）：在同優先順序的實時程序間輪流分配 CPU 時間片。
   • 實時程序的優先順序高於普通程序，在系統資源緊張的情況下，實時程序會優先獲得 CPU 排程。

排程演算法的應用場景

Linux 的 CFS 適合伺服器環境，其設計目標是確保系統的公平性和高吞吐量，適合長時間執行的任務。在實時性需求較高的場景中，Linux 也提供了實時排程策略，可以保證高優先順序的實時任務得到優先排程。

=》 Windows 與 Linux 排程演算法的對比：

特性	Windows 排程	Linux 排程
排程策略	優先順序排程、多級反饋佇列	完全公平排程 (CFS) + 實時排程
優先順序範圍	0-31	普通優先順序程序 + 實時優先順序程序
時間片	支援時間片輪轉排程	CFS 沒有時間片概念，實時程序使用時間片
搶佔機制	高優先順序任務搶佔低優先順序任務	高優先順序任務搶佔低優先順序任務
資料結構	多級反饋佇列	紅黑樹（CFS）
適用場景	桌面環境、互動式應用	伺服器環境、高吞吐量、多工併發

總結來說，Windows 更側重於互動式使用者體驗的最佳化，強調響應速度；而 Linux 的 CFS 則更加關注任務的公平性和系統的高吞吐量，適合長時間執行的後臺任務。此外，Linux 中的實時排程選項也使其在實時系統中更具靈活性。