CPU的调度

调度的实质是一种资源分配，处理机调度是对处理机资源进行分配。
处理机调度算法就是根据处理机分配策略设计的处理机分配算法。
一个作业从提交到获得处理机执行，到执行完毕，可能需要经历多次调度。

1.1 高级调度、中级调度、低级调度

1.1.1 高级调度（High Scheduling）

又称为作业调度或长程调度。用于决定把后备队列中的哪些作业调入内存，为他们创建进程，分配必要的资源，并放入就绪队列中。
高级调度主要应用于多道批处理系统中，在分时和实时系统中一般不设置高级调度。
执行高级调度时，必须作出两个决定
接纳多少作业——每次接纳多少作业进入内存，取决于多道程序度，即允许多少个作业同时在内存中运行。多道程序度的确定应根据系统的规模和运行速度等情况综合考虑。
接纳哪些作业——应接纳哪些作业从外存调入内存，取决于所采用的调度算法。如先来先服务，短作业优先等。

1.1.2 低级调度（Low Level Scheduling）

通常也称为进程调度或短程调度（Short-Term Scheduling），进程调度是最基本的一种调度，在三种OS中都有。用于决定就绪队列中哪个进程应先获得处理机，并将处理机分配给选中的进程。

进程调度可采用下述两种调度方式：
非抢占方式（Non-preemptive Mode）
优点：实现简单、系统开销小，适用于大多数的批处理OS
缺点：不适合实时系统。
抢占方式（Preemptive Mode）
抢占的原则有：
优先权原则:优先权高的可以抢占优先级低的进程的处理机。
短作业（进程）优先原则：短作业（进程）可以抢占长作业（进程）的处理机。
时间片原则：各进程按时间片运行，一个时间片用完时，停止该进程执行重新进行调度。

1.1.3 中级调度

又称为交换调度或中程调度（Medium-Term Scheduling）。它按一定的算法将外存中已具备运行条件的进程换入内存，而将内存中处于阻塞状态的某些进程换出至外存。
引入中级调度的目的，是为了提高内存利用率和系统吞吐量。为此，应使那些暂时不能运行的进程不再占用宝贵的内存资源，而将它们调之外存去等待，把此时的进程状态称为静止就绪状态或挂起状态。当这些进程重又具备运行条件、且内存又稍有空闲时，由中级调度来决定把外存上的哪些又具备运行条件的就绪进程，重新调入内存，并修改其状态为就绪状态，挂在就绪队列上等待进程调度。中级调度实际上就是存储器管理中的对换功能。

1.2 处理机调度算法的目标

选择何种调度算法，很大程度上取决于操作系统的类型及其设计目标。

1.2.1 处理机调度算法的共同目标

（1）资源的利用率：

（2）公平性：应该使进程都能获得合理的CPU时间
（3）平衡性：协调好计算型和IO型的作业，使得系统的CPU和各种外部资源都能处于忙碌状态。
（4）策略强制执行：必要的作业，准确执行。

1.2.2 批处理系统的目标

（1）平均周转时间短
（2）系统吞吐量高
（3）处理机利用率高

1.2.3 分时系统的目标

（1）响应时间快
（2）均衡性：系统响应时间的快慢应与用户所请求服务的复杂性相适应。

1.2.4 实时系统的目标

（1）截止时间的保证
（2）可预测性

对于不同的系统和系统目标，通常采用不同的调度算法，例如，在批处理系统中为照顾为数众多的短作业，应采用短作业优先的调度算法；又如在分时系统中，为了保证系统具有合理的响应时间，应采用轮转法进行调度。目前存在的多种调度算法中，有的算法适用于作业调度，有的算法适用于进程调度；但有些算法作业调度和进程调度都可以采用。

1.3 作业与作业调度

在多道批处理系统中，作业是用户提交给系统的一项相对独立的工作。操作员把用户提交作业通过相应的输入设备输入道磁盘设备，并保存在一个后备作业队列中，再由作业调度程序将之从外存调入内存。

1.3.1 批处理系统中的作业

作业、作业步、作业控制块

作业运行的三个阶段和三种状态：收容阶段：后备状态；运行阶段：运行状态；完成阶段：完成状态。

1.3.2 作业调度的主要任务

根据JCB中的信息，检查系统中的资源是否满足作业对资源的需求，按照一定的调度算法，从外存的后备队列中选取某些作业调入内存，并为之创建进程、分配必要的资源，然后将新创建的进程排在就绪队列上等待调度。

1.3.3 先来先服务(FCFS)和短作业优先(SJF)调度算法

先来先服务是一种最简单的调度算法，既可用于作业调度，也可用于进程调度。当在作业调度中采用该算法时，每次调度都是从后备作业队列中，选择一个或多个最先进入该队列的作业，将它们调入内存，为它们分配资源、创建进程，然后放入就绪队列。在进程调度采用FCFS算法时，则每次调度是从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程，为之分配处理机，使之运行。
FCFS算法比较有利于长作业（进程），而不利于短作业（进程）。

短作业优先（SJF）算法这是对FCFS算法的改进，顾名思义就是指对短作业或短进程优先调度的算法。也可以分别用于作业调度和进程调度。
短作业优先的调度算法，是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运行。而短进程优先（SPF）调度算法则是从就绪队列中选出一估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它，使它立即执行并一直执行到完成，或发生某事件而被阻塞放弃处理机时，再重新调度。

SJF调度算法的优缺点
优点：
有效降低作业的平均等待时间，提高系统吞吐量。

缺点：
1.必须预知作业的运行时间；
2.对长作业不利，长作业的周转时间明显加长；
3.不能保证紧迫性作业得到及时处理；
4.在采用FCFS算法时，人机无法实现交互。

1.3.4 优先级调度算法和高响应比优先调度算法

优先级调度算法（priority-scheduling ）
根据作业的紧迫程度，由外部赋予作业相应的优先级，调度算法是根据该优先级进行调度。
高响应比优先调度算法（Highest response ratio next, HRRN）
同时考虑作业的等待时间，又考虑作业运行时间的调度算法。

1.4 进程调度

进程调度是操作系统中必不可少的一种调度，在三种操作系统里都有进程调度。对操作系统性能影响最大，有关调度算法也多。

1.4.1 进程调度的任务、机制和方式

进程调度的任务
（1）保存处理机的现场信息。
（2）按调度算法选取进程。
（3）把处理机分配给进程。
进程调度机制

进程调度方式
（1）非抢占方式（Nonpreemptive Mode）
（2）抢占方式（Preemptive Mode）
抢占不是乱抢占，是遵循一定的原则：优先权原则、短进程优先原则、时间片原则等

1.4.2 轮转调度算法

基本原理
其基本思路是通过时间片轮转，提高进程并发性和响应时间特性，从而提高资源利用率；
系统每隔一定时间产生一次中断，激活进程调度程序进行调度，把CPU分配给队首进程，并令其执行一个时间片。
进程切换的时机
时间片用完或者时间片内进程结束。
时间片大小确定
时间片长度变化的影响
过长：退化为FCFS算法，进程在一个时间片内都执行完，响应时间长。
过短：用户的一次请求需要多个时间片才能处理完，上下文切换次数增加，响应时间长。
对响应时间的要求
T=N（进程数目）*q（时间片长度）
时间片长度的影响因素：
就绪进程的数目：数目越多，时间片越小（当响应时间一定时）
系统的处理能力：应当使用户输入通常在一个时间片内能处理完，否则使响应时间、平均周转时间和平均带权周转时间延长。

1.4.3 优先级调度算法

静态优先级：创建进程时就确定的，在运行期间保持不变。
动态优先级：在运行期间会发生变化，如随着等待时间，优先级不断提高。

1.4.4 多队列调度算法

将系统中不同类型或者性质的进程固定分配在不同的就绪队列，不同的队列采用不同的调度算法，对不同用户进程的需求，很容易提供多种调度策略，针对多处理机系统，可以方便地为每个处理机设置一个单独的就绪队列。（如看着不好理解，请参考教材里对应部分）

1.4.5 多级反馈队列调度算法

实施过程
（1）设置多个队列并为各个队列赋予不同的优先级。第一个最高，依次降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也不相同，优先权越高，时间片越短。
（2）当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。如它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾。
（3）仅当第1～（i-1）队列空闲时，才会调度第i队列中的进程运行。

多级反馈队列调度算法的性能
多级反馈队列调度算法具有较好的性能，能较好的满足各种类型用户的需要。
终端型作业用户、短批处理作业用户、长批处理作业用户。

1.5 实时调度(real-time scheduling)

实时任务：具有明确时间约束的计算任务。例如：某时刻前必须开始处理；某时刻前必须处理完毕；
实时调度：合理安排就绪实时任务的执行次序，满足每个实时任务时间约束条件的调度。
实时任务分类：硬实时、软实时

1.5.1 实现实时调度的基本条件

提供必要的信息、系统处理能力强、抢占式调度机制、具有快速切换机制
提供必要的信息
就绪时间：该任务成为就绪状态的时间。
开始截止时间和完成截止时间：只需知道一个。
处理时间：从开始执行到完成所需时间。
资源要求：任务执行时所需的一组资源。
优先级：根据任务性质赋予不同优先级。
系统处理能力强
假如系统中有M个周期性的硬实时任务，处理时间为Ci，周期时间表示为Pi
则单机系统中必须满足条件
∑（ Ci / Pi ）≤1
多处理机系统
∑（ Ci / Pi ）≤N
采用抢占式调度机制
硬实时任务： 广泛采用抢占机制。
小的实时系统： 可采用非抢占调度机制（简化调度程序和对任务调度时所花费的系统开销）。
具有快速切换机制
对外部中断的快速响应能力。
快速的任务分派能力。

1.5.2 实时调度算法的分类

可以按照不同方式对实时调度算法加以分类：
根据实时任务性质的不同可分为硬实时调度算法和软实时调度算法；
按调度方式的不同可分为非抢占调度算法和抢占调度算法；
非抢占调度算法
非抢占式轮转调度算法：适用于要求不太严格的场合！
非抢占式优先调度算法：适用于要求较为严格的场合！
抢占式调度算法
基于时钟的抢占式优先权调度算法：某高优先级任务到达后并不立即抢占，而等下一个时钟中断时抢占。
立即抢占的优先权调度算法
一旦出现外部中断，只要当前任务未处于临界区，就立即抢占处理机。

1.5.3 常用的几种实时调度算法

最早截止时间优先EDF（Earliest Deadline First）算法
该算法是根据任务的开始截止时间来确定任务的优先级。截止时间越早，其优先级越高。该算法要求在系统中保持一个实时任务就绪队列，该队列按各任务截止时间的早晚排序，调度程序在选择任务时总是选择就绪队列中的第一个任务，为之分配处理机，使之投入运行。
EDF算法既可以用于抢占式调度，也可用于非抢占式调度，如下例：

最低松弛度优先LLF（Least Laxity First）算法
松弛度=任务紧急程度
松弛度=完成截止时间-运行时间-当前时间
例如，任务A在200ms时必须完成，本身运行时间100ms，则必须在100ms之前调度执行，A任务的紧急（松弛）程度为100ms；又如任务B在400ms时必须完成，需运行150ms，其松弛程度为250ms.
该算法主要用于可抢占调度方式中。

未防止笔记失踪，借此放置，有需要的小伙伴时常回来看看！！！