操作系统学习笔记4--进程调度

1 CPU调度

1.1 CPU调度基本概念

CPU调度：对于单核cpu，每个时刻最大可以处理一个进程。cpu作为计算机最重要的资源之一，cpu调度即采用多道程序，多个进程同时位于内存在，当某个进程需要等待时，此时cpu空闲，从内存中找到另外一个进程接管cpu。从而最大化cpu利用率。当一个进程需要等待时，另一个进程接管cpu。

CPU/IO执行周期：对于每个进程，都是周期性的执行cpu执行或是io等待。而cpu调度的成功取决于进程的CPU/IO执行周期。进程不断地在这两个状态之间交替。

CPU调度程序：当cpu空闲时，cpu调度程序从内存中选择一个进程，并为其分配CPU。进程选择采用短期调度程序或是cpu调度程序。就绪队列不是必须为FIFO的，可以是FIFO，优先队列，树等。就绪队列中的所有进程都需要排队以等待cpu空闲，队列内的记录通常为PCB。

1.2 抢占调度

1.2.1 调度机制

需要cpu调度的四种情况：

1.一个进程从运行状态->等待状态（执行IO请求或wait()）

2.一个进程从运行状态->就绪状态（中断发生时，cpu将当前进程挂起，当前进程由运行状态转为就绪状态）

3.一个进程从等待状态->就绪状态（如IO请求完成）

4.一个进程终止

非抢占调度：对于第一种和第四种情况，必须选择一个新进程来执行，此时调度方案称为非抢占的（或协作的），即调度方案只有在第1和第4种情况出现时，才进行调度。在这种情况下，一旦某个进程被分配cpu，那么会一直执行，直到该进程终止或它切换到等待状态。

抢占调度：不只在第1和第4种情况下，也进行调度。称为抢占调度。比如某个某个进程并未切换到等待状态，或是终止，也被其他进程挂起，那么称之为抢占。

1.2.2 调度程序

cpu调度由调度程序来完成，其主要功能包括：1.切换上下文 2.切换到用户模式 3.跳转到用户程序的合适位置，以便重新启动程序。

调度延时：调度程序停止一个进程，并启动另一个进程所需要的时间称为调度延时。

1.2.3 调度准则

无论是何种cpu调度算法，都要以一些指标来进行，共同的指标或目标有：

cpu使用率：应尽可能让cpu忙碌

吞吐量：单位时间内进程完成的数量

周转时间：从进程提交到进程完成的时间。所有时间段之和，包括等待进入内存，在就绪队列中等待，在cpu上执行和io执行。

等待时间：进程在就绪队列中等待的时间。cpu调度并不影响进程运行和io时间，只影响等待时间。

响应时间：对于交互系统，周转时间不是最佳准则。从提交请求到产生第一响应的时间，称为响应时间，是开始响应所需的时间，而非输出响应所需的时间。而周转时间通常受限于设备速度，如io执行等。

1.3 进程调度算法

1.3.1 先来先服务算法

FCFS：最简单的cpu调度算法即为先来先服务算法（First-Come,First-Served，FCFS）。先请求cpu的进程被分配cpu执行，可以通过队列来实现。当进程进入就绪状态时，它的PCB块被放到队列尾，当CPU空闲时，队列头的进程被分配cpu，同时其PCB块被cognac队列首移除。

缺点：平均等待时间往往很长。如果完成时间较长的任务先到达，那么其后的所有任务所需的等待时间都将很长。FCFS是非抢占的， 所以对于分时系统（每个用户都需要获得一定的cpu时间）是特别麻烦的。

1.3.2 最短作业优先调度

SJF：Shortest-Job-First调度算法。将每个进程与下次cpu执行时间长度并联起来，所以更应称之为最短下次cpu执行算法，当cpu空闲时，它会被分配给执行时间最短的进程。

优点：SJF算法是最优的，因此对于给定的一组进程，平均等待时间最小。

缺点：进程在cpu上的执行长度难以确定。因此SJF调度算法常用于长期调度。

根据下个进程的cpu执行时间和当前进程剩余的cpu执行时间，可以形成抢占SJF和非抢占SJF。

抢占SJF：如果下个进程的cpu执行时间小于当前进程剩余cpu执行时间，那么先执行下个进程。

非抢占SJF：即便下个进程的cpu执行时间小于当前进程剩余cpu执行时间，也先执行完当前进程，再执行下个进程。

1.3.3 优先级调度

优先级调度算法：SJF算法是优先级调度的一个特例，根据进程的cpu执行时间来确定优先级。优先级调度将每个进程都与一个优先级关联，具有最高优先级的进程首先被分配cpu执行，具有相同优先级的进程可以根据FCFS。

根据cpu正在执行的进程优先级和就绪队列中进程的优先级，优先级调度也可分为抢占的和非抢占的。

抢占优先级调度：若进程中正在执行的进程优先级低于就绪队列中某个进程的优先级，先执行就绪队列中具有更高优先级的进程，为抢占优先级调度。否则为非抢占优先级调度。

缺点和问题：

无穷阻塞（饥饿）问题：处于就绪队列中的等待cpu空闲的进程被认为是阻塞的，而优先级调度可能让某个低优先级进程无限等待cpu，即一直处于阻塞状态。

解决方法：老化。每隔一段时间，将就绪队列中阻塞的进程优先级提高，这样，原先被无限阻塞的进程，最终一定会具有最高的优先级而被执行。

1.3.4 轮转调度

轮转调度：Round-Robin，RR。是专门为分时系统设计的。类似于FCFS调度算法，但是增加了抢占以切换进程。将一个较小的时间单元定义为时间量或时间片，就绪队列为循环队列，轮转调度程序循环整个就绪队列，为每个进程分配不超过时间片的cpu时间。

执行机制：因为每个进程都被分配了不超过时间片的cpu时间，因而存在两种可能。1.进程执行时间小于时间片。此时进程所占用的资源被释放，调度程序将绪队列头的进程分配一个时间片的cpu时间。2.进程执行时间超过时间片。此时，当时间到达时间片时，定时器产生中断，进行上下文切换，为就绪队列头的进程分配cpu时间进行执行，同时将当前未完成的进程加入到就绪队列的尾部。

缺点：平均等待时间较长。RR算法的性能很大程度上取决于时间片的选取。如果时间片选的太大，那么RR算法和FCFS算法一样。如果时间片选取的过小，那么系统时间将会浪费是频繁的切换上下文上。因此希望时间片远大于上下文切换时间。

抢占：因为时间片的限制，没有任何一个进程可以连续执行超过一个时间片的cpu时间。如果某个进程执行到时间片时间还未执行完毕，那么它会被就绪队列头的进程所抢占。

1.3.5 多级队列调度

进程分组：在进程容易被分为不同组的情况下，需要能对不同组的进程分别调度。通常进程分为后台进程（批处理进程）和前台进程（交互进程），这两种进程具有不同的响应时间要求，也有不同的调度需求。另外，前台进程涉及到交互，因而需要有更高的优先级。

多级队列调度算法：将就绪队列分为多个单独队列。每个进程根据内存大小，优先级，进程类型永久分配到一个队列中。每个队列采用不同的调度算法。另外，队列间也需要有调度算法，通常采用固定优先级抢占调度。如前台队列可以比后台队列具有绝对的优先。

1.3.6 多级反馈队列调度

多级反馈队列调度：对于多级队列调度，每个进程属于的队列被永久固定。而多级反馈队列调度运行进程在不同队列间迁移。如当进程使用过多的cpu时间，会被移到优先级更低的队列，io密集型进程和交互进程被移到高优先级队列，另外，老化算法将长时间处于等待的进程移到高优先级队列，防止饥饿的发生。

1.4 线程调度

线程：线程分为用户线程和内核线程，内核线程才是系统能调度的。用户线程需要映射到内核线程上，才能被运行到cpu上，而用户线程由线程库管理，对于内核线程不可见。而映射的方法可能不是直接的，而是由LWP（轻量级进程）来实现。

竞争范围：分为进程竞争范围（Process Contention Scope，PCS）和系统竞争范围（System-Contention Scope）。

进程竞争范围：对于多对一和多对多线程映射模型，采用的是进程竞争范围，因为调度的线程，竞争cpu使用的线程属于同一个进程。

系统竞争范围：对于一对一模式，对于决定哪个内核级线程运行在cpu上，采用系统竞争范围，发生在系统的所有线程之间，而不一定是属于一个进程。

1.5 多处理器调度

非对称处理：一个处理器（主处理器）负责所有调度决定，IO处理和其他系统活动，其他处理器只负责执行用户代码。

对称多处理(Symmetric MultiProcessing，SMP)：每个处理器自我调度，所有进程可能处于一个共同的就绪队列里，或者每个处理器都有私有就绪队列。每个处理器的调度程序都检查共同就绪队列，以便选择执行一个进程。

处理器亲和性：大多数SMP系统避免将一个进程从一个处理器迁移到另一个处理器上，而是试图让一个进程运行在同一个处理器上。称为处理器亲和性，即一个进程对执行它的处理器具有亲和性。

内存停顿：当一个处理器访问内存时，花费大量时间等待所需的数据。称为内存停顿。可能由高速缓存未命中而引起。而采用多线程之后，如果一个线程发生内存停顿，那么该核会切换到另一个线程。

2.实时CPU调度

2.1实时系统分类

软实时系统：不保证调度关键实时进程，而只保证这类进程优于非关键进程。

硬实时系统：一个任务应当在截止之前完成，否则被认为是没有完成

2.2 最小化延迟

事件延迟：事件发生到事件得到服务的时间，称为事件延迟。

中断延迟：cpu接收到中断到中断处理程序开始执行的时间。如确定中断类型，保存上下文，切换上下文所花费的时间。

调度延迟：调度程序从停止一个进程到启动另一个进程所需的时间。

2.3 优先级调度

实时系统的一个重要功能是，当一个实时进程需要cpu时，立即响应。因此实时调度应是支持抢占的优先级算法。根据每个进程的重要性分配优先级。支持抢占的优先级调度仅能够保证软实时，而要保证硬实时，还需要给进程附加调度特征。

2.4 实时调度算法

2.4.1 单调速率调度

单调速率调度：单调速率调度采用可抢占的静态优先级调度策略，来调度周期性任务。

优先级的确定：优先级与每个进程的周期成反比。周期指每个进程下次执行与上次执行的间隔，即优先级与进程执行的频率成正比，执行频率越高的进程优先执行。单调速率调度基于这样的假设：每个进程在cpu上执行的时间相同，此时执行频率越高的进程应保证优先执行。

优点：单调速率调度是静态优先级调度中最优的，如果一组进程不能通过单调速率调度，那么它不能用任何一种静态优先级调度算法来调度。

缺点：CPU利用率总是有限的，不能完全最大化CPU利用率。

2.4.2 最早截止期限优先调度

最早截止期限优先调度（Earliest Deadline First，DEF）:根据截止期限动态分配优先级。截止期限早，优先级越高，截止期限越晚，优先级越低。当一个进程运行时，它应向系统公布截止期限要求。与单调速率调度不同之处在于，单调速率调度的优先级是固定的，因为周期性任务的频率是固定的，而最早截止期限优先调度是动态分配优先级的。

EDF不要求进程是周期性的，也不要求进程的cpu执行长度相同，唯一要求是，进程变成可执行时，公布它的截止期限。

2.4.3 比例分享调度

比例分享调度：在所有进程之间分配T股，所有进程的总的为N股。那么确保一个进程有T/N的cpu运行时间。比例分享调度采用准入控制策略，当系统现有股数小于进程的股数时，系统应拒绝该进程运行。

3.Linux调度实例

完全公平调度程序（Completely Fair Scheduler，CFS）称为默认的Linux调度算法。

Linux调度基于调度类。每个类都有一个特定优先级。内核根据不同的类，采用不同的调度算法。Linux内核实现两个调度类，使用CFS算法的默认调度类和实时调度类。

CFS调度程序不按照严格标准为每个优先级分配相同的时间片，而是为每个任务分配一定比例的CPU运行时间。每个任务分配的比例按照友好值来计算。CFS没有采用游离的时间片，而是采用目标延迟，即每个可运行任务运行一次所需要的时间间隔。根据目标延迟，按比例分配CPU时间。CFS调度没有直接分配优先级，而是通过维护每个任务的虚拟运行时间变量，来记录每个任务运行多久。

CFS调度的底层采用红黑树实现，值基于虚拟运行时间。当任务就绪时，被放到树中，当任务不可运行时（如阻塞等待IO），被从树上移除。