【哈工大李治军】操作系统课程笔记6：CPU调度策略 + 【实验 4】进程运行轨迹的跟踪与统计实验

1、操作系统的那颗“树”

上图为Linux核心源码所形成的一个结构。

（1）最初的种子

我们的目标是让机器可以执行我们的指令，从而完成计算，这里涉及到两个关键的步骤：取值、执行

（2）I/O处理带来的等待

在使用CPU执行指令的过程中，我们发现只写这段程序时，会让CPU先执行10ms，然后I/O处理却等待了10s，导致CPU有大部分时间处于空闲状态没有被利用起来。

因此，我们就设想能否进行改善，在执行I/O设备处理时，让CPU先去执行其他任务，而被利用起来。

（3）让CPU可以切换执行

我们就想出了一种方式，在执行到I/O处理时，让CPU可以切换到另一个程序进行执行。当I/O处理完后，再让CPU回来去执行程序1里下面的指令。

这里我们就会想，如何切换呢？

这是一个多程序跳转，而栈中的地址会记录程序的入口地址、返回参数地址，因此我们就用栈来实现多程序切换。

当我们使用栈来实现多程序跳转时，发现没有顺利的切换回来，而是又切换了回来。

通过分析，我们发现在两个程序使用一个栈时，会造成记录上的混乱。因此，我们使用两个栈来分别记录两个程序在中执行中记录的返回地址。

我们再设置TCB来记录每个线程的信息，当要使用yield()切换时，就会根据TCB里的信息来找到新栈，从而切换到新的栈里。

但上述的方式只能用在用户态，当我们从用户态切换到内核态时，发现内核态下，同一个进程内的线程无法进行切换。因此，我们就需要一种方式来帮助我们实现正常的内核态切换。

我们会思考，既然在用户态的时候有用户栈来实现切换，那么到了内核的时候，是否可以使用内核栈来实现切换呢？

我们就想到一种方式：
（1）由用户栈切换到内核栈（int 0x80）。因为执行的线程不变，只是需要在内核态下运行，因此还使用该线程的TCB，而为了还可以正确的返回到用户态，就用内核栈记录用户栈的es、ss、cs、ip。
（2）当内核栈之间想要切换时，使用TCB、schedule和switch_to来实现。首先，使用schedule来选取要换上哪个线程，然后将切换前的线程信息保存在自己的TCB当中，再用switch_to将选取到的线程的TCB信息覆盖到CPU中，让esp指向该线程的栈，从而完成切换。
（3）由内核栈切换到用户栈（iret）。根据内核栈的信息，切换到用户栈。

精简来说就是，用户栈到内核栈，内核栈到TCB，TCB之间切换，再内核栈之间切换，最后内核栈返回到用户栈。

2、CPU调度策略

让进程满意：周转时间（从任务进入到结束）、响应时间（从操作发生到响应）和吞吐量（完成的任务量）。

操作系统设计时候的原则是既要折中，又要综合。前台任务更关注响应时间，后台任务更关注周转时间。

而吞吐量和响应时间之间是由矛盾的。比如，想要让响应时间段，则就需要切换次数多，从而会导致系统内增大，吞吐量减小。

一般会设置I/O约束型任务的优先级要高于CPU约束性任务，因为先执行I/O操作后，可以让CPU去执行任务，让CPU不会空闲。如果先执行CPU而再执行I/O任务的话，当把CPU任务执行完后，再执行I/O任务，此时CPU会处于空闲状态，CPU利用率不高。

（1）各种CPU调度算法

1）先来先服务FCFS

在先来先服务方法中，这里如果让短作业的作业先进来先执行，则很多任务就可以提前结束，而很多任务提前结束了，则这些短作业的周转时间就会很小，短作业就会比较满意。短的作业比较满意了，就可以整体系统的满意度，整体系统的满意度（一堆作业满意度的加和）提高了，就可以让平均周转时间更小。短作业越先执行，平均周转时间越小。

2）短作业优先SJF：满足周转时间

所以，就有了短作业优先SJF方法，将短作业提前。

按作业执行时间排序，得到调度顺序为$P_1{P}_2...P_n$。平均周转时间为 $\sum (n+1-i)P_i$，其中 $P_1$ 被计算了n次，$P_2$ 被计算了n-1次。

这种方式平均周转时间最小，但对于长作业的响应时间会太长。

3）轮转调度RR：满足响应时间

所以，为了来均衡作业的响应时间，我们引入时间片机制——轮转调度（Round Robin），来轮转调度，让每个任务都可以被照顾到。

时间片：P1分配10个，P2分配10，P3分配13个，P4分配7个…以此方式可以保证响应时间。但时间片越大，响应时间就会越长；时间片越小，吞吐量就会小。

4）优先级调度

在实际中，我们对于不同的任务，关注点不一样。对于前台任务，我们更关注它的响应时间；对于后台任务，我们更专注它的周转时间。

所以，我们采用对于不同种类的任务设定不同的优先标准，采用优先级调度方式对不同任务的队列进行调度。

但如果单纯的执行短作业优先作为优先级调度策略，可能会出现有作业饥饿的现象，较长执行时间的作业一直很难被执行。

我们就想，让后台任务优先级可以动态调整，让长作业可以被执行到。但后台任务占用CPU时间较长任务的优先级如果提升的话，前台的响应时间就又会受到到影响。

为了保证响应时间，所有的任务都需要有时间片，但如果前后台任务都是用时间片的话，又会退化到RR，没有短作业优先级的体现，后台任务就无法提升平均周转时间。

所以，我们就需要这个调度算法有学习机制，能够根据任务的情况来自行的调整，从而达到操作系统对整个任务的折中综合。

（2）schedule()函数

在Linux0.11中将PCB设置成了一个数组task[n]，将p设置为最后一个进程的地址。while()循环从数组末尾往前开始找就绪进程且counter时间片大于c，则让c等于所选取进程的时间片、next等于这个进程位于PCB数组中的位置。最后，得到 counter最大的就绪进程 。

如果c不等于0，意味着找到了就绪进程，则跳出执行switch_to()完成调度。

如果c等于0，则说明没有可用的还有时间片的就绪进程，就让所有就绪态进程的counter=0/2 + priority恢复到counter的初值。而对于阻塞态进程，例如I/O进程，counter=counter/2 + priority，这样会导致I/O进程的时间片数值会增大，优先级会增大。

此时，counter就有两个作用。一个是时间片，一个是优先级。

时钟中断的作用是每次都让counter减1，如果减到等于0的话，就进行schedule()调度。每次产生时钟中断时都会修改counter。

在schedul()中是根据counter的大小来选取，所以counter此时也就表示为优先级，找到最大的counter。同时，也会对counter进行动态调整，阻塞态进程（I/O）的优先级就在调整中会被升高，I/O时间越长，则在阻塞队列中的时间就越长，则经历的counter = counter/2 + priority就可能越多，优先级被升高的可能性就越大。（这就是学习机制）

而I/O进程正是前台进程的特征，你I/O时间的越长，就可认为此进程具有前台进程的特征，当具有前台进程的特征越高，进程的优先级就会越高（满足相应时间的要求）。

时间片轮转的目标是为了满足响应时间。但引入学习机制后，随着带counter的不断变化又是否能保证响应时间有界吗？

依然有界，下面来研究counter最大的情况下，此时的状况是初始状态时就被阻塞且随后一直被阻塞，则 $c(0)=p$，$c(t)=\frac{c(t-1)}{2}+p$，可得 $c(t)={\sum }_{i=1}^n{p}_i\le 2p$。如果每个进程最多的时间片是2p，那么n个进程最多的周转时间便是2np。这也就是在更新counter时，除以一个常数的原因，之所以选择2是因为可以通过右移操作，实现起来更加快捷。

经过I/O以后，counter就会变大；I/O时间越长，counter越大，照顾了I/O进程，变相的照顾了前台进程。而后台进程已知按照counter轮转，近似了SJF调度（不断轮转一圈一圈的执行，短作业的进程一定最先执行完!）并且也不尽可能的避免了出现作业饥饿现象。最终实现每个进程只用维护一个counter变量，简单、高效。

所以，我们在未来写操作系统时，要考虑到折中。既要满足多个任务的特点，又要保证简单、高效。

[实验 4]：进程运行轨迹的跟踪与统计实验

实验的第一部分是多进程创建，第二部分是调度跟踪。分别和笔记4与笔记6相关，便都放在了笔记4当中：

【哈工大李治军】操作系统课程笔记4：CPU和多进程 + 【实验】进程运行轨迹的跟踪与统计实验