操作系统：CPU调度

前面我们已经总结了process的一些基本信息，进程是程序运行的一个基本单位。当进程运行的时候，需要占用CPU，如果当多个进程需要运行的时候，我们该怎么安排这些进程占用CPU呢？ 这就是我今天要总结的CPU调度了

在正式讨论CPU调度策略之前，我们先来看看CPU调度我们会考虑哪几个方面的因素：

• turnaround时间（周转时间）：任务完成时间 - 任务到达时间
• 响应时间：任务开始运行时间 - 任务到达时间
• 公平性
• 整体性能

在介绍每一种CPU调度策略之后，我会从这四个方面来分析调度策略的优点和缺点；

FIFO（First In， First Out）

多个任务都需要使用CPU这个场景很像在路边小吃摊排队的场景，自然而然可以想到谁先来，谁就先被服务。这就是所谓First In， First Out; 也叫First come， First served.
这种调度策略实现起来相对简单，但在某些方面表现却不是十分友好：

假设有三个任务A、B、C同时到达（at time 0）,需要运行的时间为1000ms，20ms，20ms。这个时候先执行A，再执行任务B，最后执行任务C；

在这种情况下，任务B和C各自只是用CPU时间20ms，却要等上1000ms。一旦先来运行的是个耗时比较长的任务，那后面到来耗时短的任务需要等待很长时间才能上CPU运行；这种策略对耗时较短任务不友好
那我们改变现有的策略，让耗时短的任务先运行，看看怎么样。

短作业优先（shortest job first）

在这种模式先，在上面描述的场景就可以完美解决了：任务B和C先被执行，最后完成任务A；这种情况下符合我们预期；但修改一些任务到达的条件，又是怎么样呢？

假设任务A、B、C耗时分别是1000ms, 20ms, 20ms, 但A先到达，B和C在A到达10ms之后到达；

这种情况下，又出现了如FIFO中描述的问题，B和C依旧需要等待990ms、1010ms的时间才能运行；
这个时候就考虑能不能让耗时短的任务抢占CPU呢？（抢占CPU需要消耗资源），于是乎有了Shortest Time-to-Completion First（STCF）

抢占式短作业优先（Shortest Time-to-Completion First）

对于上面描述的场景，在这种场景下，任务B上来就可以运行，任务C等待20ms可以运行，然后任务A继续接着运行（没有考虑上下文切换耗时）。如果仅仅考虑turnaround time，现在的这种方法已经足够了；

但如果考虑每个任务的响应时间呢？
以上的三种调度策略都需要等待某个任务完成，才能开始运行，这样会导致任务的平均响应时间变大，那么有没有方式，使任务的平均响应时间变短呢？这就是想到Round Robin策略了

Round Robin

在这种策略下，不再是把任务运行完之后再运行下一个任务，取而代之的是每个任务轮流在CPU上运行一个时间片。
这样的好处是，在任务到达之后，等待几个较短的时间片之后，新来的任务就可以开始运行了。这样降低了任务的响应时间。

一下两点值得我们注意：

• Round Robin策略对每个任务来说都是公平的，同时降低了任务的响应时间，但与此同时确是增加了平均的turnaround time却是增加的。这是trade-off，具体选用那种策略，在于我们更关注哪个方面的表现
• 实现RR策略，每一个时间片用完，都需要进行上下文切换的。进行上下文切换的消耗会均摊到所有执行的任务上

我们知道，内核的进程比用户进程优先级高；对于同样的内核进程和同样的用户进程，他们也有优先级区别，在CPU调度上，我们如何体现出任务的优先级呢？

多级反馈队列Multi-Level Feedback Queue

为了RR调度策略的turnaround time和降低交互任务的响应时间，于是就有了多级反馈队列调度策略；操作系统的大多使用该算法进行CPU调度；

对于上面的多级反馈队列的数据结构的简单示例，从下到上优先级依次增加。
在这个多级反馈队列中，调度过程需要遵循如下有如下几条规则：

1. 如果任务A的优先级大于任务C的优先级，则先运行任务A
2. 任务A和B优先级一样，则任务A、B以Round Robin的方式运行
3. 当有新任务到来的时候，进入优先级最高的队列
4. 一旦一个任务用完了时间片或者因为I/O放弃了CPU，则将该任务移到下一个优先级队列
5. 固定周期之后，把所有的任务都迁移到优先级最高的队列中去