操作系统最短剩余优先算法 java实现

转载

卫斯理 2024-09-19 18:34:51

文章标签 操作系统最短剩余优先算法 java实现服务器时间片信号量 文章分类 Java 后端开发

1. 进程的调度算法

操作系统最短剩余优先算法 java实现_服务器

① 先来先服务（FCFS）

先来先服务（first-come first-served，FCFS）：是最简单的调度算法，按照请求的先后顺序进行调度。
特点：

非抢占式的调度算法，易于实现，但性能不好
有利于长作业，不利于短作业。 因为短作业必须等待前面的长作业执行完毕才能执行，会造成短作业的等待时间过长。

上表中的进程执行顺序： A(3) --> B(6) --> D(4) --> C(5) --> E(2)

操作系统最短剩余优先算法 java实现_信号量_02

② 短作业优先（SJF）

短作业优先（shortest job first，SJF）：按估计运行时间最短的顺序进行调度。
特点：

非抢占式的调度算法，优先照顾短作业，具有很好的性能，降低平均等待时间，提高吞吐量。
不利于长作业，长作业可能一直处于等待状态，造成长作业饿死。
没有考虑作业的优先紧迫程度，不能用于实时系统。

上表中的进程执行顺序：

③ 最短剩余时间优先（SRTN）

最短剩余时间优先（shortest remaining time next， SRTN）：

最短剩余时间优先是短作业优先的抢占式版本，按剩余运行时间最短的剩余进行调度。
新的进程到来时，将新进程的运行时间与当前进程的剩余运行时间进行比较。
如果新进程的运行时间更短，则挂起当前进程，运行新进程；否则新进程等待。

特点： 确保一旦新的短进程进入系统，可以尽快处理。
上表中的进程执行顺序：

④ 时间片轮转

时间片轮转（round robin，RR）：

使用队列，按照FCFS的原则将就绪进程排序，后来的进程插入到队列末尾。
选择队列中的首进程，为其分配CPU时间片。时间片用完，计时器发出时钟中断，停止该进程的运行，将其送回队列末尾。
重复步骤1和2，直到完成进程调度。

特点：

时间片轮转的效率与时间片的大小有很大关系。 时间片太小，进程切换频繁反而使CPU利用率变低；时间片太大，系统的实时性不能得到保证。
时间片轮转算法，大多用于分时系统。

上表的进程执行顺序(时间片为1）：

⑤ 优先级调度

优先级调度：为每个进程分配一个优先级，优先级高的先调度，优先级低后调度。
根据当前进程执行时，遇到较高优先级进程的处理方式，分为抢占式优先级调度、非抢占式优先级调度。

抢占式优先级调度：进程在执行期间，具有更高优先级的进程到来，则中断当前进程，执行具有更高优先级的进程。
非抢占式优先级调度：进程在执行期间，具有更高优先级的进程到来，仍然继续执行直到完成。
为了防止低优先级的进程永远等不到调度，可以随着时间的推移增加等待进程的优先级。

⑥ 多级反馈队列

多级反馈队列：

设置多个队列，每个队列的时间片大小不同，例如1, 2, 4, 8 ...。
进程就绪时首先进入一级队列，被调度执行后，如果还需执行，则进入二级队列，依次类推。如果到了最后一级队列还未执行完毕，则仍然进入该队列。
每一级队列中的进程按照FCFS进行调度，只有当上一级队列中没有进程等待执行时，才能调度当前队列中的进程。

多级反馈队列是为连续执行多个时间片的进程考虑的，通过更改每级队列的时间片大小，减少该进程的调度次数。

2. 进程间通信IPC

进程间通信（IPC）： 在进程间进行信息传输。
进程同步： 让多个进程按照一定的顺序执行。
IPC是手段，进程同步是目的。即为了实现进程同步，我们可以在进程间传递一些进程同步所需要的信息。

① 管道（pipe）

管道（pipe）： 一种半双工通信方式，数据流只能单向交替传输；只能在具有亲缘关系的进程间通信，如父子进程、兄弟进程。
管道可以通过调用pipe()函数创建，fd[0]用于读，fd[1]用于写。

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);

优点： 简单方便
缺点：

半双工通信，数据流单向交替传输
只能在具有亲缘关系的进程间通信
缓冲区有限

② 命名管道（FIFO）

命名管道（FIFO）： 一种半双工通信方式，数据流只能单向交替传输；允许在不具有亲缘关系的进程间通信。
FIFO 常用于客户-服务器应用程序中，FIFO 用作汇聚点，在客户进程和服务器进程之间传递数据。
命名管道可以通过调用mkfifo()函数或者mkfifoat()函数进行创建。

#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *path, mode_t mode);
int mkfifoat(int fd, const char *path, mode_t mode);

优点：

可以用于任意关系的进程间通信。
FIFO 常用于C/S应用程序中，作为汇聚点，在客户进程和服务器进程之间传递数据。

缺点：

长期存于系统中，使用不当容易出错
缓冲区有限

③ 信号量（Semophore）

信号量（semophore）：

是一个计数器，用于控制多个进程对共享资源的访问。
主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

优点： 同步进程或者同一进程内的不同线程
缺点： 信号量有限
PV操作：

P操作（down/wait）： 当S > 0时，S = S - 1；当S = 0，进程睡眠，等待S > 0。
V操作(up/singal)： 当 S = 上限时，进程睡眠，等待S < 上限；否则，S = S + 1。

如果信号量只有0和1两种取值，可以成为互斥量（Mutex）。0 表示临界区已经加锁，1 表示临界区解锁。
典型应用： 生产者-消费者问题。

需要使用Mutex实现对缓冲区的互斥访问，初始值为1；当生产者向其中添加产品时，消费者不能访问；当消费者获取产品时，生产者不能访问。
信号量empty用于记录缓冲区中可放入的产品数，初始值为N；empty为0，表示缓冲区已满，生产者不能再添加产品。
信号量full用于记录缓冲区中已经放入的产品数，初始值为0；full不为0，表示缓冲区中有产品，消费者可以获取产品。

#define N 10
typedef int semophore
semophore mutex = 1; // 缓冲区处于可访问状态
semophore empty = N; // 初始时，可以放入N个产品
semophore full = 0; // 初始时，缓冲区没有产品

void producer(){
	while(true){
		int item = produce_item();
		down(&empty); // 空出来的位置-1
		down(&mutex); // 缓冲区加锁
		insert_product(item);
		up(&mutex); // 缓冲区解锁
		up(&full); // 可消费的产品+1
	}
}
void consumer(){
	while(true){
		down(&full); // 可消费的产品-1
		down(&mutex); // 缓冲区加锁
		int item = remove_item();
		consume_product(item);
		up(&muutex); // 缓冲区解锁
		up(&empty); // 空出来的位置+1
	}
	
}

④ 信号（Signal）

信号： 一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生

⑤ 消息队列（Message Queue）

消息队列（Message Queue）： 是消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。
相比于 FIFO，消息队列具有以下优点：

消息队列可以独立于读写进程存在，从而避免了FIFO中同步管道的打开和关闭时可能产生的困难；
避免了FIFO中同步阻塞问题，不需要进程自己提供同步方法。
读进程可以根据消息类型有选择的接收消息，而不是像FIFO那样默认接收。

缺点： 信息的复制需要消耗额外的CPU时间，不适合信息量大或者操作频繁的场合。

⑥ 共享内存（Shared Memory）

共享内存：

映射一段能被其他进程访问的内存，这段内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。
由于不需要在进程之间拷贝共享数据，是一种最快的IPC方式。
共享内存往往需要与其他IPC方式配合使用，如信号量，同步对共享内存的访问。

缺点：

需要自己实现进程间读写操作的同步，如通过信号量
内存实体存在于计算机中，只能在一计算机的进程之间共享，不能用于网络通信。

⑦ 套接字（socket）

套接字： 可用于不同机器间的进程通信，一般通过socket实现客户端和服务器的TCP或UDP通信
优点：

适合客户和服务器之间信息的实时交互
可以加密，数据安全性强

缺点： 接收到的字节流需要进行解析，转化成应用层数据。
客户和服务器建立TCP连接，进行socket通信的流程：

服务器和客户端均调用socket()函数创建自己的socket。其中socket()函数返回一个socket描述符，它唯一标识一个socket。
socket()函数返回的socket中无具体的地址。为了避免在listen()和connect()函数调用时被系统随机分配端口，服务器需要主动调用bind()函数为其绑定ip和port。
服务器调用listen()函数，把socket设置为被动方式，以便随时接受客户的连接请求。
客户调用connect()函数向服务器发起连接请求，要求connect()函数中ip和port必须与bind()函数绑定的一致。
服务器通过accpet()函数，从监听队列中获取已经完成三次握手的连接。有就返回，没有就阻塞等待。
这时客户和服务器已经建立了socket连接，可以通过send()和recv()函数发送和接收消息，或者通过read()和write()函数实现读写操作。
一旦客户或服务器结束使用socket，就可以调用close()函数关闭相应的socket描述符。