【操作系统学习】（一）进程调度

进程调度的概念

进程切换：CPU资源的当前占用者的切换

• 保存当前使用者的执行上下文
• 回复下一个进程的执行上下文

处理机调度策略

• 从就绪队列中挑选下一个占用CPU运行的进程
• 从多个可用CPU中挑选就绪进程可使用的CPU资源

调度程序：挑选就绪进程的内核函数

调度策略

• 依据什么原则挑选进程和线程？

调度时机

• 什么时候进行调度？

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调度时机

进程的状态

• 创建
• 就绪
• 等待
• 运行
• 退出

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
• 进程被终结了

对于不同的系统来说，这种条件都是不同的

抢占时系统

• 中断请求被服务历程响应完成时
• 当前进程被抢占
  
  • 进程时间片用完
  • 进程从等待切换到就绪

调度策略

进程在执行时，一般都处于在两种状态下进行转换：

• CPU计算
• I/O操作

每次调度决定在下一个CPU计算的时候将哪个工作交给CPU

调度的策略一般取决于下面的几个进程的指标

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

• 进程从初始化到结束（包括等待）的总时间

等待时间

• 进程在就绪队列中的总时间

响应时间

• 从提交请求到发生响应所花费的总时间

对于不同的需求，就需要不同的调度算法，因为不同的需求对不同的指标的要求不同

处理机调度策略的目标

1、响应时间目标

• 减少响应时间
• 减少平均响应时间的波动

总结

所以需要使用低延迟的调度去改善用户的交互体验

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2、吞吐量目标

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

减少每个进程的等待时间

总结

操作系统需要保证吞吐量不受用户交互的影响

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3、公平性目标

公平性定义

• 保证每个进程占用相同的CPU时间
• 保证每个进程的等待时间相同

公平一般会增加平均响应时间

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调度算法

先来先服务算法（FCFS : First Come First Served）

描述

按照进程进入就绪状态的先后顺序进行排列
- 进程进入等待或结束状态时，就绪队列的下一个进程就占用CPU

优点

• 简单

缺点

• 平均等待时间波动较大
  
  • 短进程可能排在长进程后面
• I/O资源和CPU资源利用率较低
  
  • CPU密集型进程会导致I/O设备闲置时，I/O密集型进程也会等待

改进

短进程优先算法

短进程优先算法(SPN,SJF,SRT)

描述

• 选择就绪队列中执行时间最短进程占用CPU进入运行状态
  
  • 就绪队列按照预期的执行时间进行排序
• 短剩余时间优先算法（SRT）
  
  • 可作为SPN算法的改进算法

优点

具有最优的平均周转时间

缺点

• 可能会导致饥饿
  
  • 连续的短继承会使长进程无法获得CPU时间
• 需要预知未来
  
  • 如何预估？
  • 简单的解决方法：询问用户
    
    • 用户欺骗就杀死相应进程
    • 用户不知道就还是只能导致饥饿

执行时间预估

用历史的执行时间去预估未来的执行时间

最高响应比优先算法(HRRN : Highest Response Ratio Next)

描述

选择就绪队列中响应比R最高的进程：（w:等待时间 s:执行时间）

R=(w+s)/s

优点和其改进

• 在短进程优先算法的基础上的改进
• 不可抢占
• 关注进程的等待时间
• 防止无限期的推迟导致的饥饿

时间片轮转算法(RR : Round Robin)

时间片

• 处理机分配资源的基本时间单位

描述

• 时间片结束时，按先来先服务算法（FCFS）切换到下一个就绪进程
• 每隔 n-1（n个进程的队列）个时间片进程执行一个时间片的时间

RB算法的优缺点和解决方案

• 额外的上下文切换导致的开销
• 时间片太大
  
  • 等待时间过长
  • 极限情况退化成先来先服务算法（FCFS）
• 等待时间过小
  
  • 反应迅速，但上下文切换过于频繁
  • 大量的上下文切换影响到系统吞吐量
• 时间片选择的目标
  
  • 选择一个何时的时间片长度
  • 经验规则：维持上下文开销处于1%以内

多级队列算法(MQ : Multilevel Queue)

描述

• 就绪队列被划分成多个独立的子队列
  
  • 如：前台（交互）、后台（批处理）
• 每个队列拥有自己的调度策略
  
  • 如：前台（RR）、后台（FCFS）
• 队列间的调度
  
  • 固定优先级
    
    • 先处理前台，后处理后台
    • 可能导致饥饿
  • 时间片轮转
    
    • 每个队列都得到一个确定的能够调度其进程的CPU总时间
    • 如：80%CPU时间用于前台调度，20%CPU时间用于后台调度

多级反馈队列算法(MLFQ : Multilevel Feedback Queue)

描述

进程可在不同队列之间移动的多级队列算法
- 时间片大小随着优先级别的增加而增加
- 如进程在当前的时间片没有完成，就降一个优先级

特征

• CPU密集型进程的优先级下降很快
• I/O密集型进程停留在高优先级

公平共享调度算法(FSS : Fair Share Scheduling)

描述

• FSS控制用户对系统资源的访问
  
  • 一些用户组比其他用户组更重要
  • 保证不重要的组无法垄断资源
    
    • 未使用的资源按比例分配
    • 没有达到资源使用率目标的组获得更高的优先级

总结

• 先来先服务算法（FCFS : First Come First Served）
  
  • 不公平，平均等待时间较差
• 短进程优先算法(SPN,SJF,SRT)
  
  • 不公平，平均周转时间最小
  • 需要精确预测等待进程的计算时间
  • 可能导致饥饿
• 最高响应比算法(HRRN : Highest Response Ratio Next)
  
  • 基于SPN调度
  • 不可抢占
• 时间片轮转算法(RR : Round Robin)
  
  • 公平，但平均等待时间较差（但是具备很好的交互性）
• 多级反馈队列算法(MLFQ : Multilevel Feedback Queue)
  
  • 多种算法的集成
• 公平共享调度(FSS : Fair Share Scheduling)
  
  • 公平作为第一指标