抢占式优先级CPU调度算法

---

在计算机操作系统中占据主导地位，CPU调度算法是一种广泛用于进程调度的机制。其目的是确保最重要的进程优先访问CPU，从而最大限度地提高系统响应能力和效率。

在抢占式优先级调度中，每个进程都分配一个优先级值，该值通常由当前作业的性质和重要性决定。当一个更高优先级的进程就绪时，当前正在执行的进程会被抢占，更高优先级的进程取而代之。优先级最高的进程首先获得CPU的访问权。

此算法确保重要且时间敏感的进程能够快速有效地执行，而低优先级进程可能需要等待直到高优先级进程完成。在实时系统中，当响应能力和及时性至关重要时，它是一种常用的算法。

抢占式优先级调度算法

抢占式优先级调度是一种CPU调度机制，根据作业的重要性为每个进程分配优先级等级。优先级越高，作业完成速度越快。

• 该算法选择优先级最高的进程并运行它，直到它完成或被更高优先级的进程中断。

• 在这个过程中，如果到达一个更高优先级的进程，CPU会中断当前正在运行的进程并运行新的进程。这种中断当前进程的过程称为抢占。

• 在实时系统中，当关键任务延迟完成可能产生灾难性后果时，抢占式优先级调度确保高优先级任务优先执行。

然而，这种方法的一个缺点是低优先级作业可能会饿死。如果有很多高优先级任务占用所有可用时间，低优先级作业可能会无限期等待。

• 一些抢占式优先级调度方法使用“老化”来解决这个问题。等待在就绪队列中的进程的优先级随着等待时间的增加而提高，最终获得运行的机会。

• 作为一种调度方法，抢占式优先级调度在某些作业比其他作业更重要的系统中非常有用。但是，必须谨慎使用它，以防止低优先级作业饿死。

优先级等级

在计算机系统中，任务执行的顺序由它们的优先级等级决定。任务的优先级等级通常由任务的重要性、紧急程度和资源需求来定义。优先级等级较高的任务通常先完成，而优先级等级较低的任务只有在没有等待完成的更高优先级任务时才完成。

在抢占式优先级调度中，任务根据其相关性被分配优先级等级。高优先级任务优先执行，低优先级任务只有在没有需要完成的高优先级任务时才执行。优先级等级通常用整数表示，数值越高表示优先级越高。

实现

抢占式优先级调度的实现方式多种多样，这取决于使用的硬件和操作系统。抢占式优先级调度的实现通常包含以下步骤：

根据重要性分配任务优先级等级：为每个任务分配一个优先级等级。

优先执行最高优先级任务：调度程序首先执行优先级等级最高的作业。如果有多个作业具有相同的最高优先级等级，调度程序可以使用不同的调度策略来做出决策。

中断低优先级任务：当更高优先级的任务就绪时，调度程序会中断低优先级任务并运行高优先级任务。

更改任务优先级等级：可以根据任务的重要性或资源需求动态调整任务优先级等级。

示例1

考虑以下进程：

进程	到达时间	突发时间	优先级
P1	0	4	2
P2	1	3	1
P3	2	1	3
P4	3	5	4

假设这些进程使用抢占式优先级CPU调度算法进行调度。

在调度这些进程之前，我们需要按照优先级顺序排列它们，从优先级最高的开始：

进程	到达时间	突发时间	优先级
P1	1	3	1
P2	0	4	2
P3	2	1	3
P4	3	5	4

我们可以看到，P2首先被分配CPU，因为它具有最高的优先级。一旦P2运行了一个单位时间，CPU将转到P1，它具有下一个最高的优先级。尽管P1将在1个单位时间后完成，但P2将继续运行，因为它还有2个单位的突发时间剩余，少于P1的4个单位。

P2完成后，CPU将被交给P1。P1运行了三个单位时间后，P3将获得CPU，它具有下一个最高的优先级。但是，P1将继续运行直到完成，因为它在3个单位时间后仍然有1个单位的突发时间剩余，少于P3的1个单位突发时间。

P1完成后，CPU将传递给P3。P3运行了一个单位时间后，P4将被分配CPU，它是剩余进程中优先级最高的，然后P4将继续运行直到完成。

甘特图可以绘制如下：

时间	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
进程	P2	P2	P2	P1	P1	P1	P4	P4	P4	P4

这些进程的平均等待时间为(0+3+1+6)/4 = 2.5。

示例2

考虑以下进程：

进程	到达时间	突发时间	优先级
P1	0	7	3
P2	1	5	2
P3	2	2	1
P4	3	4	4

假设这些进程使用抢占式优先级CPU调度算法进行调度。

在调度这些进程之前，我们需要按照优先级顺序排列它们，从优先级最高的开始：

进程	到达时间	突发时间	优先级
P3	2	2	1
P2	1	5	2
P1	0	7	3
P4	3	4	4

我们可以看到，P3首先被分配CPU，因为它具有最高的优先级。一旦P3运行了2个单位时间，CPU将转到P2，它具有第二高的优先级。但是，P3将在2个单位时间后完成，而P2将继续运行直到完成，因为它在2个单位时间后还有0个单位的突发时间剩余，少于P2的5个单位突发时间。

P2完成后，CPU将被分配给P1，它具有下一个最高的优先级。P1将继续运行直到完成。此时，P4将获得CPU并运行程序直到完成。

甘特图可以绘制如下：

时间	进程
0	P3
1	P3
2	P2
3	P2
4	P2
5	P2
6	P2
7	P1
8	P1
9	P1
10	P1
11	P1
12	P1
13	P4
14	P4
15	P4
16	P4

这些进程的平均等待时间为(6+3+0+5)/4 = 3.5

与其他调度算法的比较

与传统的调度算法相比，抢占式优先级调度允许更高优先级等级的作业中断低优先级等级的进程。此功能确保在需要及时完成某些作业的系统中，高优先级任务优先执行。

其他调度算法，如轮询调度和先到先服务调度，不考虑任务的优先级。轮询调度为每个作业执行一定的时间段，而不管作业的重要性如何。先到先服务调度按到达顺序执行作业，而不管其重要性如何。

结论

任务优先级是操作系统的一个重要方面，尤其是在多任务系统中，多个任务同时执行。操作系统使用称为抢占式优先级调度的调度方法来根据重要性对任务进行排序。在此方法中，每个作业都分配一个优先级级别，调度程序从具有最高级别的任务开始。

与传统的调度算法相比，抢占式优先级调度允许更高优先级等级的作业中断低优先级等级的进程。此功能确保在需要及时完成某些作业的系统中，高优先级任务优先执行。

许多现实世界的应用程序，包括实时系统、多媒体系统和操作系统内核，都使用抢占式优先级调度来确保任务按时完成。通过使用抢占式优先级调度，这些系统可以确保高优先级级别的作业优先完成，从而使系统能够高效有效地运行。