操作系统CPU调度

概述

多道程序操作系统的基础。通过在进程之间切换CPU，操作系统可以提高计算机的吞吐率。
对于单处理器系统，每次只允许一个进程运行：任何其他进程必须等待，直到CPU空闲能被调度为止。

CPU按一定的调度算法从就绪队列中选择一个进程，把CPU的使用权交给被选中的进程，如果没有就绪进程，系统会安排一个系统空闲进程或系统空闲进程。

调度触发事件：

• 创建、唤醒、退出等进程控制操作
• 进程等待I/O，I/O中断
• 时钟中断（时间片用完，计时器到时）
• 出现abort异常

调度过程

同时把多个进程导入内存，在内存中等待的就绪队列的节点是PCB，使得一个进程在CPU中执行I/O时，一个进程用来填补CPU的时间。 通常进程都是在CPU区间和I/O区间之间转换。

CPU调度程序称为短期调度程序，从内存调度到CPU。

抢占调度和非抢占调度(协作)：前者为一个进程还没结束之前就被夺取CPU的拥有权，而后者则要一个进程结束或等待I/O才给予其他进程CPU的拥有权。

虽然现代操作系统都是用抢占调度，但是对于同时访问一个数据来说就会有风险，比如一个进程在试图更新一个数据，但是另一个进程抢占，并且读取这个数据，使得数据不一致。进程同步可以使数据得到安全的访问。

调度准则：

• CPU使用率。
• 吞吐量：单位时间完成进程的数量。
• 周转时间：进程提交到进程完成。即从磁盘等待进入内存+就绪队列等待时间+CPU执行时间+I/O执行时间。但是CPU调度算法只是里面的一块。
• 等待时间：在就绪队列等待的时间之和。
• 响应时间：用于交互系统。

具体步骤：

• 保存进程A的上下文环境（程序计数器，程序状态字，其他寄存器）
• 更新A的PCB（新状态和其他信息）
• 把进程A移至合适队列（就绪，阻塞，…）
• 把进程B的状态设置为运行态
• 从进程B的PCB中恢复上下文（程序计数器，程序状态字，其他寄存器）

上下文切换的开销：

• 保存和恢复寄存器
• 切换地址空间（相关指令可能比较昂贵）
• 缓存和缓冲失效（高速缓存，缓冲区缓存，TLB）

调度算法

各种调度算法：

多处理器调度：

• 需要决定在哪一个CPU上执行
• 要考虑进程在多个CPU之间迁移的开销（高速缓存失效，TLB失效），尽可能使CPU总在同一个进程上执行

• 要考虑负载均衡问题

  1. FCFS 先到先服务
     一旦选定进程，那么在结束之前就不能再切换到另一个进程。
  2. SJF 最短优先 精确的讲是最短下一个CPU区间的算法
     前面提到，一个进程是由CPU区间和I/O区间交替组成的。而SJF是看哪个进程的CPU区间最短。
• SRTF抢占式：又称最短剩余优先，当新进来的进程的CPU区间比当前执行的进程所剩的CPU区间短，则抢占。
• 非抢占：称为下一个最短优先，因为在就绪队列中选择最短CPU区间的进程放在队头。
  SJF用于长期调度而不能用短期调度，因为进程是一个整体，CPU没法知道进程中第一个CPU区间长度。
  SJF需要确定下一个CPU区间的时间长度，可以通过近似估算出下一个CPU区间的长度，比如tn+1=atn+(1-a)rn tn为最近最近一次的CPU时间，rn为历史记录。a是给定的权重。
  
  1. 优先级调度算法 pintos的优先级是0-63 0为最低优先级，63为最高优先级
     SJF是特殊的优先级调度算法，以CPU区间长度的倒数为优先级。
     （1）内部优先级：通过内部数据比如内存要求等。
     （2）外部优先级：用户自己设定。set_priority
     分为抢占式和非抢占式，前者为如果进来的进程优先级高于运行的进程，则替换；后者只是在就绪队列中按优先级排队。
     缺点：无线阻塞或饥饿。前者为一个优先级高且运行时间长的进程一直阻塞，后者为优先级低的进程永远都得不到执行。
     解决饥饿的方法是老化。通过每个时间间隔后将等待的进程优先级降低。
  2. 转轮法 RR算法 抢占式
     用于分时系统。每个进程都占用一个时间片的时间。就绪队列为FIFO循环队列。如果一个进程的CPU区间长度小于时间片，则继续下面的进程；如果大于时间片，则中断切换到下一个进程执行。
     通常时间片长度为10ms-100ms，由此需要确定时间片大小使得上下文切换次数适当少。
  3. 多级队列调度
     根据某种性质将一个就绪队列分成不同的独立队列，如系统进程，交互进程（前台进程），交互编辑进程，批处理进程，学生进程。
     每个队列都有不同的调度算法。
     每个队列都有优先级，比如前台队列就比后台队列要有绝对的优先级，因此队列间的分配方法：
• 只有优先级高的队列为空，才能执行低优先级队列。
• 为队列分配不同权重的CPU时间，优先级高的分配时间多。

CPU调度例子

1. 多级反馈队列调度算法（BSD 5.3）

   • 设置多个就绪队列，第一级队列优先级最高
   • 给不同就绪队列中的进程分配不同长度的时间片，随着优先级的降低逐渐增大
   • 当第一级队列为空时，在第二级队列调度，以此类推
   • 各级队列按照时间片轮转方式进行调度
   • 当一个新创建进程就绪后，进入第一级队列
   • 如果进程因为用完时间片而放弃CPU，则进入下一级就绪队列
   • 如果进程因为阻塞而放弃CPU，则进入相应的等待队列，等待事件发生后，该进程回到原来一级就绪队列末尾（或队首）
   • 若允许抢占，被抢占进程回到原来一级就绪队列末尾（或队首）

2. 基于优先级的抢占式多任务调度（Windows）

   • 调度单位是线程
   • 采用基于优先级的抢占式调度，结合时间配额的调整
   • 就绪线程按优先级进入相应队列
   • 系统总是选择优先级最高的就绪线程运行
   • 同一优先级的各线程按时间片轮转进行调度
   • 多CPU系统中允许多个线程并行运行

参考资料

《操作系统概念》 第七版

http://blog.csdn.net/xiazdong/article/details/6280345