《操作系统概念精要》之CPU调度

基本概念

根据之前进程一章中的介绍，进程的执行一般会分为两个执行周期：CPU执行和I/O等待。

进程调度实际表示.png

抢占调度：在进程执行的过程中，CPU被操作系统中断而执行其他进程的调度，称为抢占调度。
非抢占调度：一个进程分配到CPU 后，该进程会一直占用CPU，直到它终止或者切换到等待状态。

进程调度算法

先到先服务（First-Come First-Served, FCFS）

最简单的调度算法：可以采用FIFO队列实现。

最短作业优先（Shortest-Job-First, SJF）

当CPU变为空闲时，它会执行占用CPU最短的进程。

SJF 调度可以是抢占的，也可以是非抢占的。

优先级调度（priority-scheduling）

每个进程都有优先级关系，而具有最高优先级的进程会分配到CPU。具有相同优先级的可以按照FCFS的算法执行。
通常优先级的的分配根据进程的特点来自己定义的。
优先级调度会产生 无穷阻塞或者 饥饿， 会使优先级低的进程得不到长时间执行。解决方法是老化，当一个进程15分钟没执行，那么它的优先级上升。

时间片轮转调度（Round-Robin, RR）

将一个较小单位定义为一个时间片，时间片的大小一般为10~100ms。就绪队列作为循环队列。CPU调度程序循环整个队列，为每个进程分配不超过一个时间片的CPU。

多级队列调度

将进程分为不同的级别，比如，前台进程和后台进程。这两种类型的进程的响应时间要求不同，进而调度算法也不同。
多级队列调度是将就绪队列分为多个单独的队列。根据进程属性。然后处于不同队列的调度算法不同。

线程调度算法

竞争范围

由线程库调度的线程，他只会和它所在进程之间的线程进行竞争，这叫做进程竞争范围。
由内核进行调度的线程，它会和系统中所有线程进行竞争，这种叫做系统竞争范围

Pthreads调度

Pthreads 库的API 实现了两种竞争范围的接口：

• PTHREAD_SCOPE_PROCESS: 采用进程竞争范围。
• PTHREAD_SCOPE_SYSTEM: 采用系统竞争范围。

多处理调度

对于多处理系统，CPU 调度的一种方法是让一个处理器 处理所有的调度决定、I/O处理以及其他活动，其他的处理器只执行用户代码。这种称谓非对称多处理。这种调度比较简单，因为不存在多个CPU共享数据。
还有一种方法是对称多处理（SMP）。即每个处理器自我调度，所有进程都可能处于一个共同的就绪队列，或者每个处理器有自己私有的就绪队列。这时就需要保证两个处理器不会同时选择同一个进程。

处理器亲和性： 当一个进程运行在一个特定的处理器上时，它会进行缓存数据。但是当一个进程在下次执行的时候，切换到了其他的处理器时，这个缓存就无效了。所以大多数SMP系统都会保证进程从一个处理器移到另外一个处理器。这就是处理器的亲和性。

负载均衡

SMP系统上，重要的就是保持所有的处理器的负载平衡。否则就会出现，一个或者多个处理器空闲，而其他处理器处于高负载状态。

负责均衡通常有两种办法：推迁移和拉迁移。推迁移指的是一个特定的任务周期性的检查每个处理器的负载，如果发现不平衡，那么通过将进程从超负载处理器推送到空闲的处理器上。对应的，空闲的处理器从忙的处理器上拉取一个任务，就是拉迁移。Linux调度程序实现了这两种技术。