操作系统中的多级队列调度

在本文中，您将了解多级队列调度以及操作系统中多级队列的几种进程类型。

多级队列调度

每种算法都支持不同的进程，但在通用系统中，有些进程需要使用优先级算法进行调度。有些进程希望停留在系统中（交互式进程），而有些则是后台进程，其执行可以延迟。

队列之间和队列内部的就绪队列算法数量可能因系统而异。通常使用具有不同时间片轮转周期的循环法进行此类维护。设计了几种调度算法，用于可轻松将进程分组的环境。由于两种进程具有不同的响应时间和资源需求，因此需要不同的调度算法。区分前台（交互式）和后台进程（批处理进程）。后台进程的优先级高于前台进程。

使用多级队列调度技术，就绪队列已划分为七个不同的队列。这些进程根据其优先级（例如内存大小、进程优先级或类型）被分配到一个队列。调度每个队列的方法不同。有些队列用于前台进程，有些则用于后台进程。前台队列可以使用循环法调度，而后台队列可以使用FCFS策略调度。

多级队列（MLQ）的CPU调度特点

MLQ调度创建了大量的队列，根据优先级将进程分为多个队列。每个队列都有独特的优先级级别。高优先级进程放置在高优先级级别的队列中，低优先级进程放置在低优先级级别的队列中。进程的优先级是根据其特性和重要性类型分配的。例如，像用户输入和输出这样的交互式进程可能比文件备份等批处理进程更重要。

抢占：在MLQ调度下，高优先级进程可以抢占低优先级进程，此时CPU分配给高优先级进程。这确保了高优先级进程能够及时完成。

调度算法：可以根据队列中进程的需求使用不同的调度算法。循环调度用于交互式进程，而先来先服务调度用于批处理进程。

反馈机制：可以实现反馈机制，根据进程随时间的行为修改其优先级。例如，为了确保交互式进程按时完成，如果它在低优先级队列中停留了一段时间，其优先级可能会提高。

有效分配CPU时间：MLQ调度确保高优先级进程按计划执行，同时允许低优先级进程在CPU空闲时运行。在公平性方面，MLQ调度根据不同类型进程的优先级和需求对其进行CPU时间分配。

可自定义：MLQ调度可以适应不同类型进程的特定需求。多级队列CPU调度有几个优点。

低调度开销：调度程序只需选择将每个进程放入哪个队列，因为它们被永久分配到各自的队列。

CPU时间的高效利用：调度算法确保高优先级进程按时运行，同时允许低优先级进程在CPU有空闲时运行。这保证了CPU时间的最高效利用。

公平性：调度算法根据每种进程类型的需求和优先级，以公平的方式分配CPU时间。

可自定义：可以修改调度算法以满足不同进程类型的独特需求。

多级队列调度的优缺点

多级队列调度有多种优点和缺点。多级队列调度的一些优缺点如下：

优点

1. 您可以使用多级队列调度将不同的调度方法应用于不同的进程。
2. 它的调度开销很低。
3. 根据队列中进程的需求，可以应用不同的调度算法。
4. 根据进程的性质、特征和重要性设置优先级，可确保关键进程按时执行。
5. 在高优先级进程下，高优先级进程可以抢占低优先级进程，CPU分配给高优先级进程。这称为抢占。
6. 这使得保证紧急任务按时完成成为可能。多级队列CPU调度存在缺点。
7. 如果某些高优先级队列永远不空，某些进程可能会因CPU时间不足而饥饿。它本质上是僵化的。
8. 实现和维护多个队列和调度算法可能更困难。

缺点

1. 低优先级进程存在饥饿的风险。
2. 它本质上是僵化的。

示例

让我们以一个包含五个队列的多级队列调度算法为例，来理解这种调度是如何工作的。

1. 系统进程
2. 交互式进程
3. 交互式编辑进程
4. 批处理进程
5. 学生进程

每个队列都对低优先级队列具有绝对的优先级。在所有高优先级队列为空之前，没有任何进程可以执行。在上例中，在系统、交互式和编辑进程的队列为空之前，其他任何进程都无法执行。如果一个交互式编辑进程进入就绪队列，而一个批处理进程正在运行，则批处理进程将被抢占。

以上示例中使用了进程的描述。

系统进程

操作系统有自己的进程需要执行，这被称为系统进程。

交互式进程

这是一个需要发生相同类型交互的进程。

批处理进程

批处理是操作系统的一项功能，它在处理开始之前将程序和数据收集到一个批次中。

学生进程

系统进程始终获得最高优先级，而学生进程始终获得最低优先级。

示例问题

让我们以一个多级队列调度（MQS）算法为例，说明多级队列调度是如何工作的。考虑下表中列出的四个进程。队列号表示进程的队列。

队列1的优先级高于队列2。队列1使用循环（时间片=2），而队列2使用FCFS。

工作方式

1. 开始时，两个队列都已处理。因此，队列1（P1，P2）首先运行（由于优先级较高），以循环方式运行，并在7个单位后完成。
2. 队列2（进程P3）中的进程开始运行（由于队列1中没有进程），但在其执行过程中，P4进入队列1并中断P3，然后P3获取CPU并完成其执行。

多级反馈调度

每种算法都支持不同的进程，但在通用系统中，有些进程需要使用优先级算法进行调度。前台或后台操作有不同的队列，但它们不会在队列之间切换或改变其前台或后台性质；这种组织形式受益于低调度，但不够灵活。

该策略优先处理需要I/O和交互的进程。这是一个具有不同CPU突发时间的独立进程。它允许进程在队列之间切换。如果一个进程消耗了过多的处理器时间，它将被切换到最低优先级队列。长时间等待低优先级队列的进程可能会被移至高优先级队列。这种老化可防止饥饿。

多级反馈队列调度程序的参数如下：

1. 系统中每个队列的调度算法。
2. 系统中的队列数量。
3. 确定队列何时应降级到低优先级队列的方法。
4. 当进程被提升到高优先级队列时，这个过程决定了它何时被提升。
5. 确定哪些进程将进入队列以及何时需要服务的方法。

常见问题解答：-

多级反馈队列调度与多级队列调度的区别是什么？

根据优先级或进程类型，多级队列调度将进程分成不同的队列（例如，批处理作业、交互式进程和系统进程），每个队列都有一个独特的调度算法。另一方面，多级反馈队列调度通过允许进程根据其行为和CPU使用情况随时间在队列之间切换，提供了更大的灵活性和适应性。

多级队列调度中的饥饿如何避免？为什么它是一个可能的问题？

高优先级队列总是满的，导致低优先级队列永远得不到CPU时间而产生饥饿。老化是一种通过随时间逐步提高等待进程的优先级来确保其最终被调度的技术，可以阻止这种情况。

多级队列调度有哪些缺点？它是如何保持队列隔离的？

通常，在多级队列调度中没有进程在队列之间迁移，因为每个队列都是自治的并独立控制。严格的隔离简化了调度逻辑，但限制了灵活性，如果一个队列为空而其他队列超载，可能会导致CPU资源利用不足。

是否存在一种情况，即单个动态优先级调度队列的性能优于多级队列调度？

是的。假设系统中存在三个队列：批处理（优先级3）、交互式（优先级2）和实时（优先级1）。如果实时任务不断涌入，批处理任务可能永远不会运行。与可能导致饥饿和低效率的严格多级队列相比，单个动态优先级队列可以根据等待时间修改进程优先级，从而保证公平的CPU分配。

多级队列调度对不同类型进程的周转时间和响应时间有何影响？

虽然低优先级队列中的进程可能会经历更长的延迟，但高优先级队列中的进程响应和周转速度更快。除非实施了其他机制（如老化），否则这种优先级排序可以提高关键任务的性能和公平性，同时降低非关键作业的性能。