在操作系统中，任务调度算法是决定哪个任务（进程或线程）可以访问 CPU 资源的核心机制。调度算法的设计直接影响系统的性能、公平性和响应性。本文将详细介绍常见的任务调度算法，包括其原理、优缺点及适用场景。

先来先服务（FCFS, First-Come-First-Served）

原理

• 按照进程到达就绪队列的顺序来分配 CPU，先到达的进程先执行。

是否抢占式

• 非抢占式（一旦进程开始执行，直到其完成，不能被打断）。

优点

• 实现简单，公平性较好。
• 不需要进行复杂的计算或排序。

缺点

• 护航效应：长任务会阻塞后续短任务的执行，导致平均等待时间较长。
• 平均等待时间较长。

适用场景

• 适用于任务处理时间比较均匀的系统。

短作业优先（SJF, Shortest Job First）

原理

• 每次选择预计执行时间最短的作业执行。可以是非抢占式，也可以是抢占式（短作业优先的抢占式为短作业优先抢占）。

是否抢占式

• 可抢占式（SRTF, Shortest Remaining Time First）。

优点

• 能够最小化平均等待时间。
• 对短进程非常友好，能有效提高系统吞吐量

缺点

• 难以准确预估作业时间，造成过度依赖估算。
• 可能导致饥饿：如果长进程总是被短进程抢占，长进程可能会长时间得不到执行，从而发生饥饿。

适用场景

• 对作业执行时间有较好估算的环境，或批处理系统。

时间片轮转（RR，Round Robin）

原理

• 为每个进程分配一个固定的时间片，时间片用完时，进程被移出 CPU，轮到下一个进程执行。

是否抢占式

• 抢占式（每个进程在时间片用完之前都能被抢占）。

优点

• 公平：每个进程轮流获得 CPU 时间，避免了某个进程长时间无法获得执行机会。
• 响应时间较短：适用于交互式系统，能快速响应用户请求。

缺点

• 时间片过大时，可能退化为 FCFS。
• 时间片过小时，频繁上下文切换会导致 开销增大，影响系统性能。

适用场景

• 适合于对响应时间有一定要求的多任务操作系统，如个人计算机和实时系统。

优先级调度（Priority Scheduling）

原理

• 根据每个进程的优先级来决定执行顺序，优先级高的先执行。

是否抢占式

• 可抢占式或非抢占式（根据实现方式不同，优先级低的进程可以被抢占）。

优点

• 高优先级进程能够快速得到执行，满足关键任务的需求。
• 实现简单，优先级的设置灵活。

缺点

• 饥饿：低优先级的进程可能长期无法获得 CPU 时间，导致进程长期处于等待状态。
• 优先级反转问题：低优先级进程可能持有资源，导致高优先级进程被阻塞。

适用场景

• 对某些重要任务需要高优先级的场景，如实时系统或关键任务的调度。

多级队列调度（Multilevel Queue Scheduling）

原理

• 将任务分为多个队列，每个队列有不同的优先级和调度算法（如 FCFS、RR）。

是否抢占式

• 可抢占式（通常高优先级队列采用抢占式，低优先级队列使用非抢占式）。

优点

• 灵活，可以针对不同类型的任务采用不同的调度策略。

缺点

• 低优先级队列任务饥饿：低优先级队列的任务可能长时间得不到执行。

适用场景

• 通用操作系统。

多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue，MLFQ）

原理

• 是多级队列调度的改进版本，任务可以在队列之间移动。
• 如果一个任务在时间片内未完成，则将其移到低优先级队列。

是否抢占式

• 抢占式。

优点

• 兼顾短任务和长任务的需求，避免饥饿问题。

缺点

• 设计和实现较为复杂，特别是在处理进程优先级的提升和降级时。
• 调度的策略和队列的管理比较复杂，需要额外的开销。

适用场景

• 通用操作系统（如 Linux、Windows）。

最高响应比优先（HRRN, Highest Response Ratio Next）

原理

• 选择响应比最高的任务执行。响应比 = (等待时间 + 运行时间) / 运行时间。

是否抢占式

• 非抢占式。

优点

• 兼顾短任务和长任务，避免饥饿问题。

缺点

• 需要计算响应比，增加调度开销。

适用场景

• 批处理系统。

实时调度算法

实时系统对任务的完成时间有严格要求，常见的实时调度算法包括：

最早截止时间优先（EDF, Earliest Deadline First）

原理

• 根据进程的截止时间进行调度，截止时间最早的任务优先执行。

是否抢占式

• 抢占式（当新任务的截止时间更早时，可以抢占当前任务）。

优点

• 确保任务按时完成，适合实时系统。
• 能够最大化任务完成率。

缺点

• 实现复杂：需要动态计算任务的截止时间，并频繁调整优先级。
• 不适合多处理器系统：在多处理器系统中，EDF 的最优性不再成立。

适用场景

• 实时操作系统，特别是硬实时系统。

速率单调调度（RMS, Rate Monotonic Scheduling）

原理

• 根据任务的周期（任务发生的频率）来进行调度，周期越短的任务优先执行。

是否抢占式

• 抢占式。

优点

• 简单易实现：优先级是静态的，不需要动态调整。
• 可预测性：适合周期性任务，调度行为可预测。

缺点

• 任务的执行时间必须是固定的，难以应对动态变化的任务。
• 只适用于周期性任务，且负载较低时效果较好。

适用场景

• 静态实时系统：任务的周期和截止时间是固定的。
• 周期性任务：适合需要定期执行的任务（如传感器数据采集、控制信号输出等）。

公平共享调度（Fair Share Scheduling）

原理

• 根据用户或组的资源配额进行调度，确保每个用户或组公平地使用 CPU 资源。

是否抢占式

• 抢占式。

优点

• 公平性好，适合多用户环境。

缺点

• 实现复杂。

适用场景

• 多用户系统（如云计算平台）。

常见调度算法的简要对比

总结：

• 简单调度算法（如 FCFS）适用于负载较低或任务均匀的系统。
• 短作业优先能优化平均等待时间，但存在长作业饥饿问题。
• 时间片轮转适合多任务操作系统，保证公平性和响应性。
• 优先级调度适合有优先级差异的任务，但可能导致低优先级任务饥饿。
• 多级队列调度能适应不同任务的需求，但管理复杂。
• 多级反馈队列灵活性高，能动态调整进程优先级，适用于任务类型复杂的系统。
• 响应比优先避免饥饿现象，适合公平调度和实时任务处理。
• 最早截止时间优先适合硬实时系统，保证任务按时完成。
• 速率单调调度适用于周期性任务，适合硬实时系统。
• 公平共享调度适合多用户系统，保证公平性。