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进程调度算法与页面置换、磁盘调度算法的比较分析
1. 进程调度算法
1.1 进程调度的概念
进程调度（CPU 调度）是计算机中的关键任务之一。当CPU空闲时，系统需要选择一个处于就绪状态的进程进行执行。调度发生于以下几种情况：
- 进程从运行状态转为等待状态
- 进程从运行状态转为就绪状态
- 进程从等待状态转为就绪状态
- 进程从运行状态转为终止状态
调度可分为抢占式和非抢占式两种。非抢占式调度允许当前进程持续运行，直到其完成或被阻塞。而抢占式调度则允许正在运行的进程被暂时打断。
1.2 调度算法分类
常见的进程调度算法有：
先来先服务调度算法（FCFS）
- 非抢占式调度，按进程到达顺序依次执行
- 适用于资源受限但长作业优越的场景，可能对短作业不利
最短作业优先调度算法（SJF）
- 抢占式调度，优先处理执行时间最短的进程
- 适用于资源丰富但长作业影响大的场景，但可能导致长作业被忽视
高响应比优先调度算法（HRRN）
- 结合等待时间和服务时间，计算响应比优先级，优先调度响应比高的进程
- 优化了SJF和FCFS的不足
时间片轮转调度算法（RR）
- 抢占式调度，按固定时间片轮流执行进程
- 公平公正，适用于多用户环境
最高优先级调度算法（HPF）
- 静态或动态优先级调度，按优先级执行进程
- 动态调度可根据作业长短或等待时间调整优先级
多级反馈队列调度算法（MFCQ）
- 结合了时间片轮转和最高优先级调度，将系统分为多个优先级队列
- 新进程加入最高优先级队列后立即触发higher priority process，优化了系统响应时间
2. 内存页面置换算法
2.1 缺页异常处理
当CPU访问的页面不在物理内存中时，会触发缺页中断。缺页中断与普通中断不同：
缺页处理流程：
发现缺页 更新物理内存状态 写回到磁盘，并更新页表 重新执行被中断的指令 2.2 页面置换算法评估
页面置换的主要目标是减少页面换入换出的开销。常用算法包括：
最佳页面置换算法（OPT）
- 预见未来访问，置换最久未访问的页面
- 理想状态，但无法实现
先进先出置换算法（FIFO）
- 最先进入序列的页面优先被置换
- 简单性好，但导致页面多次置换，效率低
最近最久未使用（LRU）
- 根据最近的页面使用时间选择置换页
- 历史存用，适用于大部分系统
时钟页面置换算法（CLOCK）
- 使用环形链表，每页标记访问状态和修改状态，定期移除未被使用的页
- 实现简单，效率较高
最不常用页面置换算法（LFU）
- 按照访问频率最低的页面优先替换
- 逻辑简单，但硬件支持成本高
2.3 算法比较
- OPT：ε isLoading 和_maximum future access time
- FIFO：ε istime since enter queue
- LRU：ε oftenest recently used
- CLOCK：ε circular linkage, cleanup strategy
- LFU：ε least frequently used
3. 磁盘调度算法
3.1 磁盘结构
磁盘由多个盘面组成，每个盘面有多个磁道，每个磁道有多个扇区。寻道时间占磁盘操作时间的绝大部分。
3.2 策略优化
磁盘操作本质上是顺序决策，算法包括：
先来先服务（FCFS）
最小寻道时间优先（SSF）
- 优先处理最近当前磁头位置的磁道请求
- 减少寻道时间，但可能导致饥饿现象
扫描算法（SCAN）
- 磁头逐个处理请求，直到转到盘末端
- 返回时继续处理剩余请求，避免饥饿
循环扫描（CSCAN）
- 磁头只处理一个方向上的请求
- 减少磁头反转次数，提高效率
圆形扫描（C-SCAN）
- 与SCAN类似，磁头移动到最高请求位置后立即反转，处理另一端请求
LOOK和 C-LOOK
- 磁头移动至远端请求位置后立即反转
- LOOK允许多个方向调处；C-LOOK只能
4. 算法优化
- 优化目标：减少寻道时间，提高磁盘吞吐量
- 常见优化措施：
- 选择合理的盘面安排策略
- 合理调节磁头移动速度
- 使用先进先出或类似策略，减少磁盘空闲时间
通过对比各类调度和页面置换算法，可以根据系统特点选择最优方案。例如，对于I/O密集型系统，采用时间片轮转或循环扫描调度；而CPU密集型系统，则使用多级反馈队列调度以更高效地管理进程调度。
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