【简记】Operating System——CPU Scheduling

This memo is based on the course of Dr.Li with Operating System as the reference book.

本章内容：

• CPU调度
• 调度算法

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5.1 基本概念

5.1.1 CPU-I/O区间周期

进程由CPU执行和I/O等待周期组成。

I/O约束程序通常具有很多短CPU区间，CPU约束程序可能有少量的长CPU区间。

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5.2 调度准则

调度器的使命：从内存中一堆准备就绪的进程中（就绪队列中的就绪进程）选取一个进程，将CPU分配给该进程

准则：

• CPU使用率：
• 吞吐量：一个时间单元内所完成进程的数量
• 周转时间：运行该进程需要的时间
• 等待时间：进程在就绪队列中等待所花的时间
• 响应时间：是对于交互系统的最佳准则，从请求提出到得到CPU响应的时间

通常的死机体验，来源于响应时间的长短。

调用CPU调度器的时机，通常发生在：

1. 某一进程从执行转为等待状态（等待I/O操作）
2. 某一进程从执行转为就绪状态（被优先级更高的进程抢走CPU）
3. 某一进程从等待转为就绪状态
4. 某一进程终止

1、4为非抢占式（自愿交出CPU），2、3为抢占式
但不止以上几种情况

CPU分配器
CPU调度器决定了将CPU分配给谁，后续操作由分配器完成。该操作包括：

• 上下文切换
• 从内核态转移至用户态
• 跳转至用户程序中PC寄存器所指示的位置

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5.3 调度算法

5.3.1 先到先服务算法（FCFS）

FCFS调度算法是非抢占的。
可用链表结构实现。

但是采用FCFS策略的平均等待时间通常较长。而且通常波动较大。

启示：短进程先于长进程，会得到意外效果。

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5.3.2 最短作业优先调度（SJF）

可使平均等待时间最小。

非抢占式：

抢占式：

某个进程的等待时间=周转时间-执行时间

致命缺陷：无法知道下一个CPU区间的长度。
预测算法（和网络中预测rtt时间很相似）

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补充：最高响应比优先算法

综合了短作业优先，先来先服务，以及长作业也能得到服务的特性，因此，是一种综合的调度算法。

计算公式：
优先权 = （等待时间 + 要求服务时间） / 要求服务时间

这个计算公式，怎么就能体现上面三个综合特性呢？

首先，短作业优先。
短作业优先是因为，要求服务时间在分子，如果要求服务时间很短，且等待时机我们认为相等，那么短作业就有更高的优先权。

其次，先来先服务。
假设要求服务时间相同，那么先来的作业等待时间肯定较长，所以先来的优先级更高。

最后，长作业也不会沦落到没法调度的尴尬局面。因为一个长作业，等啊等，越等自己自己资历越老，优先级是在不断增长的，所以总会有机会熬出头的！

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5.3.3 优先级调度

给每个进程分配优先级（正整数）。
本书中用小数字表示高优先级。

优先权法也分抢占式和非抢占式。

主要问题是进程饥饿。某个低优先级进程可能会无穷等待。
解决方法之一是老化（aging），等待时间越长，优先级会提高。

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5.3.4 轮转法调度

每个就绪的进程获得一小段CPU时间，时间片用毕，这个进程被迫交出CPU。

如果有n个就绪进程，时间片为q，则任何就绪进程最多等待（n-1）q单位时间。

人们希望时间片的长度要比上下文切换时间长。

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5.3.5 多级队列调度

将进程分组，将就绪队列分成多个独立队列。
比如前台（交互）进程和后台（批处理）进程可分开调度。

CPU怎么在队列间分配：

• 固定优先权，比如前台优于后台
• 时间片方法，前台8成，后台两成

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5.3.6 多级反馈队列调度

基本上类似多层队列算法，但进程可以在就绪队列之间“漂移”了。

多级(假设为N级)反馈队列调度算法可以如下原理：
1、设有N个队列（Q1,Q2….QN），其中各个队列对于处理机的优先级是不一样的，也就是说位于各个队列中的作业(进程)的优先级也是不一样的。一般来说，优先级Priority(Q1) > Priority(Q2) > … > Priority(QN)。怎么讲，位于Q1中的任何一个作业(进程)都要比Q2中的任何一个作业(进程)相对于CPU的优先级要高（也就是说，Q1中的作业一定要比Q2中的作业先被处理机调度），依次类推其它的队列。
2、对于某个特定的队列来说，里面是遵循时间片轮转法。也就是说，位于队列Q2中有N个作业，它们的运行时间是通过Q2这个队列所设定的时间片来确定的（为了便于理解，我们也可以认为特定队列中的作业的优先级是按照FCFS来调度的）。
3、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)。
多级反馈队列调度算法描述：
1、进程在进入待调度的队列等待时，首先进入优先级最高的Q1等待。
2、首先调度优先级高的队列中的进程。若高优先级中队列中已没有调度的进程，则调度次优先级队列中的进程。例如：Q1,Q2,Q3三个队列，只有在Q1中没有进程等待时才去调度Q2，同理，只有Q1,Q2都为空时才会去调度Q3。
3、对于同一个队列中的各个进程，按照时间片轮转法调度。比如Q1队列的时间片为N，那么Q1中的作业在经历了N个时间片后若还没有完成，则进入Q2队列的尾部等待，若Q2的时间片用完后作业还不能完成，一直进入下一级队列，直至完成。
4、在低优先级的队列中的进程在运行时，又有新到达的作业，那么在运行完这个时间片后，CPU马上分配给新到达的作业（抢占式）。

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5.4 多处理调度

实时调度：调度要及时，不影响进程执行

硬实时系统 — 调度机制能够确保一个关键任务在给定时间点前完成
软实时系统 — 调度机制尽量给予关键人物最高优先级，尽量在预定时间点前完成

处理器亲和性和负载平衡

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