调度---------操作系统

调度是指在多道程序设计系统中，也就是说有多个进程处于就绪态而（或线程）同时竞争cpu（只有一个）时，必须选择一个进程运行。怎么选择？用调度算法去选。

一、基本概念
1.1进程切换的代价： 用户态转到内核态 保存当前进程状态。内存映像保存，运行调度算法选择新进程，将新进程的内存映射重装入MMU，最后新进程开始运行。注意：进程切换使内存高速缓存失效，强迫内存动态装入两次（进入内核一次，离开内核一次。这里我不太明白。）
这一切都说明并不是单位时间内进程切换越多越好，反而很差。

1.2进程行为： 几乎所有进程都是I/O请求与计算交替执行，什么是I/O操作：当一个进程由于等待外部设备工作完而阻塞。

计算密集型：一进程花费大多时间在计算上
I/O密集型：一进城在等待I/O上花费大多时间
随着cpu的速度在不停变快，现在进程更多是I/O密集型，那么，调度程序要尽可能的让I/O密集型进程运行，以便让I/O请求发出让磁盘始终忙碌。

1.3何时调度：

• 父进程创建子进程时，两进程都处于就绪态，需要选择运行哪一个
• 一个进程退出时，挑选一个。若没有，则运行系统提供的空闲进程
• 一进程zuse在I/O操作和信号量上或因其他原因阻塞
• I/O中断发生时，做出决策，I/O设备发出中断完成工作，是让阻塞等待盖I/O的进程执行还是其他，调度算法决定

调度算法分类：硬件始终以某一频率发生周期性中断，每个时钟中断或者每k个时钟中断做出调度决策，可把调度算法分为抢占式与非抢占式。
非抢占式：挑选一个进程，直到运行至被阻塞，或者其自动释放cpu。即使运行了很长很长时间，也不会被强迫挂起，在时钟中断发生时也不调度。
抢占式：挑选一个进程运行某个固定时段的最大值。若时间段结束，还在运行，他被挂起，挑选一个进程运行。进行抢占式算法，必须在时间段末端发生时钟中断，以便把cpu让给调度程序。抢占式依赖好的时钟中断。

1.4调度算法分类：
不同系统需要不同的调度算法，根据系统需要去选择。

• 批处理
• 交互式
• 实时

批处理系统，处理长时间的处理作业，没有交互用户会不耐烦的等待。所以选择非抢占式或者长周期的抢占式。
交互式系统：避免一个进程霸占cpu，抢占式必须的。
实时系统：实时系统只运行推进现有应用的程序。交互式什么都运行。这样看抢占不抢占就看具体情况了

1.5调度算法的目标：
所有系统：公平（cpu时间均衡），策略强制执行（调度算法一定要按代码要求实现），平衡（系统每一部分都在忙碌）96-
批处理系统：吞吐量（每小时最大作业数），周转时间（从提交到终止的时间，就是用户要等待的时间，越小越好）cpu利用率（保持cpu始终忙碌）
交互式：最小响应时间（服务好），均衡性（对于一种操作，用户有自己心中的期望时间，最好满足）
实时：满足截止时间，可预测性（多媒体的实时系统，进程调度必须高度可预测和实时调度，不然用户的体验会很差）

二、批处理系统中的调度

2.1先来先服务：非抢占式。队列，阻塞作业进程到就绪态加入到队列尾，新作业也在作业尾。缺点很明显，大量I/O密集型与一个计算密集型同时运行，计算密集型运行1秒，接着去读取磁盘。然后所有的I/O密集型开始读磁盘。当计算密集型获得cpu，，在运行1s，紧跟着是所以I/O密集型。这样子，每个I/O密集型都要等待很长时间。若是抢占式的则不用等待那么长时间。

2.2最短作业优先 适用于运行时间已知的。非抢占的。我自己之前不太在意抢占不抢占，一直认为什么都是抢占的，导致一次考试题目做错了。学习应用要记清楚知识点。不要含糊。

最短剩余时间： 这个听名字就知道是抢占式的了。 这块要注意抢占与非抢占。这个关系着算法怎么写的问题。运行时间已知，每一次新作业进来，比较要运行多产后个时间结束，运行时间短的那个执行。这里是短作业执行更好。 这里有一个问题，一个进程越运行它的运行时间就越短，最后的结果是一个作业执行完成后才调度。这个只是在有新作业进入时才抢占。这个抢占式感觉奇怪，所以我想这个一般与另一种抢占式算法结合使用。不然一个进程执行了，就结束不了，除非新的短的进程到来，或者他自己执行完了。

三、 交互式系统

3.1轮转调度 ：抢占。每个进程分配一个时间段（时间片）。时间片用完就进行进程切换。用完前阻塞或者结束，cpu立即切换。
进程切换（上下文切换）需要时间的，假设1ms，时间片4ms。4ms中有1ms要上下文切换。cpu浪费率20%。为了提高cpu利用率，我们设置时间片长时间一点，比如100ms，这样浪费率为1%，但是多进程请求cpu，时间片长了就有不好的用户交互。
还有一点比较有趣，时间片长于cpu突发时间（cpu突发-I/O操作-cpu突发-I/O操作-……），那么在时间片耗尽前进程会堵塞在I/O操作，引起进程切换，抢占的消失改善了性能。进程切换只发生在逻辑需要时，I/O阻塞。而一般抢占时切换后，是在cpu突发段中断，而之后运行可能很短的时间就有阻塞了（I/O操作），这样又切换上下文，浪费时间。
所以，时间片设置长短很重要。一般是20ms~50ms（书上给的建议，我感觉要根据处理的所有进程来断定时时间片长度）

3.2优先级调度
轮转有一个前提，所有进程同等重要。这样显然不符合现实，每个进程有一个优先级，高优先级先运行。
为了防止高优先级无休无止地运行，调度程序可以在每个时钟中断降低当前进程的优先级。如果这个动作导致优先级降低，那就上下文切换。还有一种是给每个进程赋予一个时间片，用完了就切换到次高进程（与我之前想的差不多）
优先级可以有系统动态确定，，例如I/O密集型应该先运行。
运行时低优先级进程可能会产生饥饿，要有一个合理地调整优先级的动态策略，使高的不能一直运行，低的无法运行（饥饿）

3.3多级队列
提出的前提：cpu密集型进程设置长的时间片会更高效（减少交换次数），长时间片的进程又影响响应时间。由此我们引出了多级队列的概念来解决。

多级队列是指每个队列有一个优先级，调度程序会根据队列的优先级来运行存在队列中的进程，若当前优先级队列为空，则运行次优先级队列。到这里，与优先级调度是没有区别的。而长时间片的优势以及进程的优先级的改变还没有实现。
为每一个队列设置一些固定的时间片，刚开始是少的，到后来越来越多。当一个进程在当前队列里用完了队列分配的时间片，则移到次优先级队列去执行（这里改变了进程的优先级）。而新进程的到来总会先被添加到最高优先级的队列里去。
注意：到这里我有一个疑问，如果一个进程把所有优先级队列转个遍都还没运行完，难道要到最高级优先队列里在运行一遍？我在百度百科里看到这么一句话：
各个队列的时间片是一样的吗？不一样，这就是该算法设计的精妙之处。各个队列的时间片是随着优先级的增加而减少的，也就是说，优先级越高的队列中它的时间片就越短。同时，为了便于那些超大作业的完成，最后一个队列QN(优先级最低的队列)的时间片一般很大(不需要考虑这个问题）
意思是：最后一个时间片会分配很大很大，所有进程都会在这里或之前结束，无需担心。

3.4最短进程优先
类比短作业优先（或者推广短作业优先），交互式进程的执行模式：等待命令，执行命令的循环。如果把执行命令看作是一个“作业”，那么，运行最短“作业”会有最快的响应时间。
那么关键就是执行命令时间最短的那一个进程了。我们可以用老化技术：用当前测量时间和先前估计时间加权得到下一次估计时间。下一次估计执行时间=a*当前测量值+（1-a）*上一次估计的这一次的运行时间。

3.5保证调度
这个算法保证每一个进程都占有相同的cpu时间。
计算一进程运行时间T1（使用cpu），然后再算他应获得的cpu时间，从他创建开始到现在的时间（这中间cpu一直在工作）除以进程数N，得到银火的cpu时间T0，用T1/T0得到一个时间比，小于1表示运行时间太短，等于以表示刚好，大于一表示超时了。大于等于1的都要转向运行比率更低的进程，知道该进程的比率超过他最接近的竞争者才可以。

这里的问题：首先每个进程占用cpu时间好算，应运行时间也好算，但是每过固定时间都要重新计算，这个会很慢，进程数一朵=多，单计算都要浪费时间。况且这种太“公平”的总感觉不实用，但也是一种解决问题的办法。

3.6彩票调度
每个进程持有一些数量的彩票，调度算法随机抽取一张，是谁的就让谁运行。这里看到，彩票数目多的运行几率大。
进程之间有协作关系的画也会进行彩票借出。比如一个进程由于另外一个进程堵塞。那么把这个进程的彩票借给另外一个进程，让另外一个进程更快运行，让他不堵塞。最后归还就行了。
这个原理是这样，具体实现的话不好说。不过我们对进程以多大概率运行提供了一种思路。

3.6公平分享调度
这里关注的不是单单一个进程了。每一些进程都属于一个用户。我们要对用户公平，然后在对用户自己的进程公平。比如说。每个用户有相同的cpu时间，让用户下的进程使用这些给用户分配的进程时间。
这里吧公平的定义扩展了。关键还是看怎么定义公平。

四、实时系统中的调度

实时可以分为软实时与硬实时。
实时性是通过把程序划分为一组进程实现的，每个进程很短，且行为是可预测与提前掌握的。
可调度实时系统：有m个事件，时间i以周期pi发生，cpu处理一个事件ci。
则当ci/pi（i=1….m）的累加和<=1是实时系统才是可调度的（这里原理不是太清楚）

五、调度策略与机制
当一进程有多个子进程并在其控制下完成，主进程可以知道哪一个子进程要先运行，但调度算法不知道。
解决办事法是将调度策略与调度机制分离开。将调度算法参数化，而参数有用户输入。

六、线程调度

用户级线程：内核只选取进程A，A中的线程调度选取线程。缺乏时钟中断运行时间过长的线程
内核级线程：内核选取，不考虑属于那一个进程。

用户级线程只是少量指令切换。而内核级是要完整的上下文切换。进程A的线程切换到进程二的线程是很慢的，不如切换到进程A的另一个线程。而内核是知道这样的情况，会更倾向于选择进程A的与进程二线程同等重要的线程来运行。用户级线程可以专门定制调度算法。