[操作系统概念]第三部分——CPU调度

CPU调度

• CPU调度的方案可以分为“非抢占式”调度（又称“协作式”调度），以及“抢占式”调度。

所谓抢占，是指在稍后的时间启动的一个进程，因为优先级或者所需资源少等原因，可以打断当前CPU执行的进程，抢占当前进程的CPU资源（以及其他资源）归自己所用。现代操作系统基本都是抢占式的调度，非抢占式的调度主要用于嵌入式的系统，因为非抢占式不需要特别的硬件。

CPU调度可能出现在4种情况下：

1. 一个进程从运行切换到等待
2. 一个进程从运行切换到就绪
3. 一个进程从等待切换到就绪
4. 一个进程从运行完毕，终结

如果一个调度方案只处理进程终止、进程切换到等待两种情况的话，则这个调度方案是“非抢占”的，否则是“抢占式”的。

CPU调度方案的评判条件

1. CPU使用率：调度方案应当是CPU尽可能不空闲
2. 吞吐量：单位时间内完成的进程数量
3. 周转时间：指进程从提交到执行完毕的所有之间之和，包括阻塞调用的等待时间，也包括在就绪队列中的等待时间
4. 等待时间：特指在就绪队列中等待的时间
5. 响应时间：指从进程提交到进程产生第一响应的时间，因为有些对于有些进程，人们关心它产生响应的快慢胜过对整个进程执行耗时的多少。

CPU调度算法

1. 先到先服务调度（FCFS）：非抢占式的调度方案。按时间排序，先提交的进程先执行，一直等到进程执行结束或者因为I/O操作等阻塞操作而等待再执行下一个进程的方案。

   • 优缺点：最简单，但是无脑，进程的平均等待时间不是最短的，而且因为是非抢占式的，对于分时系统（多用户系统）来说很不好。

2. 最短作业优先调度（SJF）：也称“最短下一个CPU区间”算法。可以是抢占式也可以是非抢占式，衍生的抢占SJF也被成为“最短剩余时间优先”算法。在当前时刻，对所有已经提交的进程用时排序，按最短耗时到最长好使排序，优先执行最短耗时的进程（任务），相同耗时的按FCFS调度。
   优缺点：可以证明SJF是最好的，平均时间是最短的。但是SJF算法难在知道下一个CPU区间的长度（也就是进程的耗时）。对于批处理系统，可以将用户指定的进程时间极限作为耗时。进而，SJF通常用于批处理系统。

3. 优先级调度算法：将进程按贴上优先级的标签，按优先级的高低来判断是否优先执行，相同优先级按FCFS调度。上面提到的SJF，就是一种优先级调度算法，这里的优先级是按进程耗时的倒数计算。
   优缺点：优先级调度最大的问题是可能一个优先级第的进程长时间不能执行，导致进程饿死，解决的办法是“进程老化”——每经过一个时间段，将进程的优先级提高一定级别，进而避免饿死。

4. 轮转法（RR）：相当于抢占式的FCFS算法。通过将进程放入一个循环队列当中，划分时间片，每过一个时间片，如果进程执行完，则执行下一个（队列首）进程，如果没执行完，则放入循环队列的队尾再次等待执行，有新进程来临也放入队列的队尾。

   • 如果轮转法的时间片设置的过长，以至于所有进程在一个时间片中都能执行完毕，那么这就成了FCFS算法，但是如果时间片设置的过于短，每次进程切换导致的上下文切换（堆栈数据保存恢复，寄存器数据保存恢复等）开销太大，也不好。推荐是时间片最好大于80%的进程耗时。

5. 多级队列调度：因为不同类型的进程（CPU密集型和I/O密集型，长期任务和短期任务）的特征是不同的，用户对不同类型进程的调度要求也不同，所以干脆，将不同类型的进程分配在优先级不同的队列当中，队列间按优先级调度，队列内部选用合适的调度算法。

6. 多级反馈队列调度：类似与上述第5中“多级队列调度”，但是增加了队列之间，进程可以提升优先级或者将低优先级切换所在队列，优化计算机的效率。

多CPU调度的问题

单核调度比较方便，多核因为涉及到协调通信问题，更加复杂。
一般将多核的调度方法分成两大类：非对称多处理方法和对称多处理方法。
* 非对称多处理方法：多个CPU的地位不对等，一般是有一个主CPU处理所有调度决定和系统进程，访问系统的数据结构，其他CPU服从主CPU的指挥和执行用户代码
* 对称多处理方法：多个CPU地位对等，各自执行自己的调度方法，多个CPU之间协同通信处理。

对称多处理方法的问题

• 处理器亲和性：一个处理器对一个进程的临时数据，缓存可能已经保存了一遍了，如果进程下次被调度到另一个处理器上执行，这些数据需要再生成一遍，浪费资源，所以一般都要尽量保持一个进程在一个处理器上执行完。
• 负载均衡：多处理器中，可能出现几个处理器无所事事，另几个处理器却忙的要死的情况。