操作系统（八）CPU调度 短剩余时间 吞吐量 轮循 实时调度 多处理器调度 （清华 向勇 陈渝版）

前篇在此 僵尸进程 线程进程挂起

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不太好用的目录：
8-1 算法背景
8-2 调度原则
8-3 调度算法
8-4 实时调度
8-5 多处理器调度
8-6 优先级反转

8-1 算法背景
上下文切换：切换CPU的当前任务，从一个进程/线程到另一个，保存当前在PCB/TCB中的执行上下文，读取下一个的上下文
CPU调度：从就绪队列中挑选一个进程/线程作为CPU将要运行的下一个线程/进程
调度程序：挑选进程/线程的内核函数（通过一切调度策略）使得效率最高，满足用户需求

在进程/线程的生命周期中的什么时候进行调度？
从一个状态变为另一个状态，特别是和运行（running）相关的状态。
内核运行调度程序的条件：进程从运行状态切换到等待状态or终结了（done）
Non-preemptive transaction
不可抢占调度，调度必须等待事件/进程结束，早期OS。
现在多为可以抢占的进程，OS决定在何时打断进程，调度程序在中断被响应后执行，当前进程从运行切换到就绪，或者一个进程从等待切换到就绪，可以被换出。

针对的是用户态的进程。
进程在内核中通过系统调用执行，因为系统调用返回时是到发起这个调用的进程继续执行，所以内核中不会切换，抢占。只要进程在系统调用时不存在从运行态到阻塞态的变化，OS可以确保返回正常。
如果在内核中也允许这种抢占，系统调用返回时不是原来的进程而是另一个优先级更高的进程，就是内核中的抢占。

早期是完全不可抢占，后来用户态进程允许抢占，现在内核态进程也可以抢占。

8-2 调度原则

CPU的占用率是波状，CPU大量运算是高峰，而读写I/O时是平稳的低值。每个调度决定都是关于下一个CPU突发时将哪个工作交给CPU，在时间分片下，线程可能在结束当前CPU突发前被迫放弃CPU。
程序在CPU突发和I/O中交替，CPU占用率高说明是在充分地使用CPU。

选择调度方法的评价指标：
CPU使用率：CPU处于忙状态的时间百分比
吞吐量：单位时间内完成的进程数量
周转时间：一个进程从初始化到结束包括（所有等待时间）所花费的时间，周转时间=等待时间+服务时间
等待时间：进程在就绪队列中的总时间，进程从就绪态到运行态的时间。
响应时间：一个请求被提交到第一次响应所花费的总时间

NEED SPEED FOREVER“更快”
高带宽：吞吐量高
低延迟：响应时间快

用量化的方法来看调度算法：

• 减少响应时间
• 减少平均响应时间的波动，交互系统中，可预测性比高差异低平均更重要

• 增加吞吐量
  减少开销（操作系统开销，上下文切换）
  系统资源的高效利用（CPU,I/O设备）

• 减少等待时间

难以每个都做到，只能取平衡。不同需求。
桌面系统要求交互，用低延迟调度增加了交互式表现，但数据中心的 服务器更强调吞吐量，OS要保持吞吐量不受影响，吞吐量是OS的计算带宽，延迟时间是OS的计算延迟。

要公平
每个进程都公平地得到CPU的支持，比如占用相同的CPU时间，或等待相同时间。但是，公平通常会增加平均响应时间。

8-3 调度算法

• 一般性的调度算法
• 针对嵌入式系统的特殊调度算法
• 多CPU多内核的调度算法

常用简单调度算法
FCFS first come first served先来先服务
如果前面的进程运行的时间长，后面的进程就只能等着，导致周转时间慢。如果进程阻塞了，队列中的下一个会得到CPU

优点：简单
缺点：平均等待时间波动大，花费时间少的可能反而排在后面，可能导致CPU和I/O之间的重叠处理，没考虑抢占，CPU密集的进程导致I/O闲置时，I/O密集型进程也在等。
SPN/SJF/SRT shortest process next/shortest JOB first/shortest remaining time 短剩余时间，短进程优先

不可抢占：SJF SPN
可抢占：ready queue中的第一个进程正在运行时，来了一个比它的预测完成时间还短的进程，SRT
优点：最小的平均等待时间和周转时间
缺点：可能导致长任务饥饿，不能保证公平；需要预知未来下一个进程的时间，比如询问用户，如果用户欺骗就杀死进程。
根据执行历史看将来CPU突发的持续时间，递归展开

会有差距，趋势一致
HRRN 最高相应比优先 priority=waiting time +estimated runt ime/estimated run time 取HIGHER值
SPN只考虑了执行时间，SERVICE TIME，它还考虑了等待时间。
不可抢占，防止无限期延迟即进程饥饿
交互性，响应性更好

缺点：对抢占性的支持不够，也需要预知service time

Round Robin 轮循，用时间切片和抢占来轮流执行，强调了公平
在量子切片/时间切片的离散单元中分配处理器，时间片结束时切换到下一个准备好的进程
process execute every (n-1)q time units

公平，相对稳定；但平均等待时间较长

开销：
额外的上下文切换；
时间量子的选择，太大则等待时间过长会退化成FCFS太小反应迅速但吞吐量由于大量的上下文切换开销受影响
选择一个合适的时间量子，经验是维持上下文切换开销处于1%以内，现在LINUX是千分之一秒

Multilevel Queues–→ multilevel Feedback Queues
多级队列：
就绪队列分为相对独立的队列，前台交互，RR，后台/底层批处理，FCFS，调度在队列间进行

• 固定优先级：先前台，再处理后台，可能导致饥饿
• 时间切片：每个队列都得到一个确定的，调度其进程的CPU总时间，如80%给前台，20%给后台

进程和队列都在动态变化，能否动态调整？
多级反馈队列 优先级队列中的轮循 有动态调整：
一个进程可以在不同队列中移动，N级优先级
在所有队列中优先级调度，每个级别内部RR轮循
时间量子大小随优先级增加而增加，若当前时间量子中没有完成就给当前任务则降到下一个优先级

一个进程，先是I/O密集型，提到高优先级，然后变为CPU密集型，就随着不断消耗时间量子就下降到低的优先级，保证I/O密集型任务停留在高优先级
等待时间越长，优先级越高，服务时间越长优先级越低
能动态地根据进程的特征调整队列和调度

Fair share scheduling cpu的等待时间和执行时间公平共享
在用户级别实现公平共享
FFS 一些用户组比其他组更重要，保证不重要的组无法垄断资源，未使用的资源按照每个组所分配的资源的比例来分配，没有达到资源使用率目标的组获得更高的优先级

评价调度方法：

• 确定性建模，对确定的工作量计算每个算法的表现
• 队列模型：用来处理随机工作负载的数学方法
• 实现/模拟：建立一个允许算法运行实际数据的系统，最灵活，一般性

最好还是在真实机器上跑一遍，因为和硬件也有关系

8-4 实时调度(real-time)
调度火车，工厂，需要确保任务在规定时间内完成的
实时调度定义：正确性依赖于其时间和功能两方面的一种OS
性能指标：时间约束的及时性（deadlines），速度和平均性能相对不重要，重点是时间约束的可预测性。
及时性 可预测性

类别
硬实时系统/强实时系统：如果某个任务没完成有严重后果
软实时系统/弱实时系统：重要的进程优先级更高，要尽量完成，如看视频，帧数没控制好会掉帧。

任务/工作单元job：一次计算，一次文件读取，一次信息传递等等
属性：取得进展所需要的资源和实时参数

release time 进程处于就绪态的时间
relative deadline: 任务是间隔时间段完成，每个任务有个特定的时间，要在特定的时间段内完成
absolute deadline：最终的结束时间

周期任务，有规律的重复

周期P=inter-realease time=relative deadline (0 < p)
执行时间e，最大执行时间< p
使用率/利用率U=e/p

hard real-time—hard deadline：保证确定性
soft real-time—-soft deadline

设计算法满足deadline要求，静态优先级调度（事先确定），动态优先级调度（优先级会动态变化）

RM rate monotonic 速率单调调度
静态最佳，根据周期安排优先级，越短优先级越高
EDF earliest deadline first 最早期限调度
最佳静态，deadline越早优先级越高，动态调整优先级

8-6 多处理器调度
要考虑：1，任务来了，放在哪个CPU上执行？2，怎么考虑公平性？load balance负载平衡
多处理器的CPU调度更加复杂，多个相同的单处理器组成一个多处理器，优点是负载共享。对称多处理器(SMP)，每个处理器运行自己的调度程序，需要在调度程序中同步

8-7 优先级反转
可发生在任何基于优先级的可抢占的调度机制中，当高优先级任务要等待低优先级任务时发生
优先级反转的持续时间取决于其他不相关任务的不可预测的行为

T3先执行，到t2时访问共享资源，t3时T1抢占，开始执行T1，某时刻需要访问已经被T3占用的共享资源，但T3还没有释放，所以不能继续T1开始等待，t5时T2又抢占执行，此时T1受制于T2的执行时间，因为T1必须要等T3，导致T1的时间延长了，引起不稳定状态，系统重启。
优先级反转的解决方法：
优先级继承：如果有共享资源，低优先级任务继承等待它所占的资源的最高优先级任务的优先级，当阻塞发生时资源的拥有者的优先级会自动提升，使中间优先级的不能抢占。

T3的优先级继承了T1的优先级

另一种方式：priority ceilings
优先级天花板：资源的优先级=所有可以锁定该资源的任务中优先级最高的那个任务的优先级。事先统计。一旦某任务占用该资源，则优先级提升为资源的优先级。不论阻塞是否发生。
除非优先级高于系统中所有被锁定的资源的优先级上限，否则任务在尝试执行临界区的时候会被阻塞。
持有最高优先级上限信号量锁的任务，会继承被该锁阻塞的任务的优先级

补充：
信号量，S，整数，S大于等于0-→S=可供并发进程使用的资源实体数，S<0-→S=正在等待使用临界区的进程数

互斥量mutex：二元信号灯，提供对资源的独占访问，有0和1两个值，0为锁定，当前对象被锁定，用户如果试图lock临界资源则排队等待，1是空闲，进程可以lock资源，之后1—>0

同一个线程中，为了防止死锁，系统不允许连续两次对mutex加锁。即加锁和解锁需要在同一个线程中完成。

优先级反转：如果任务之间由于有了共享资源出现了竞争或死锁，会引起OS不安全，采用信号量方法对其进行操作系统的优先级反转。
一个任务要用一个共享资源，必须先申请得到这个信号量，高优先级的即使ready但因为得不到S，不能使用该资源。