【操作系统】第八章——进程调度算法

一、背景

1、上下文切换与CPU调度：【承上启下】

（1）上下文切换

• 切换CPU的任务，切换的实体为线程或进程
• 要保存当前CPU的状态，便于之后的现场恢复【也就是保存TCB/PCB的上下文】
• 读取下一个线程/进程的上下文

（2）CPU调度

• 从就绪队列中挑选一个进程/线程作为CPU将要运行的下一个进程/线程
• 调度程序：挑选进程/线程的内核函数（通过一些调度策略）

2、在进程/线程的生命周期中的什么时候进行调度？

在一个状态变换到另一个状态，特别是与运行状态相关的变换【运行 >> 就绪、运行 >> 退出、运行 >> 阻塞】

3、什么情况下内核会运行调度程序？

（1）可以为一个进程从运行状态切换到等待状态

（2）可以为一个进程结束了

• 大部分情况下我们调度的是应用程序【运行时以用户态的进程形式存在】
• 分为两种情况：

（1）不可抢占（非抢占式）

调度程序必须等待事件结束，也就是进程启动之后不能被打断

（2）可以抢占（抢占式）

调度程序在中断被响应后执行
当前进程从运行切换到就绪，或者一个进程从等待切换到就绪
当前运行的进程可以被换出

二、调度准则

3、进程在操作系统中的运行状态是怎样的？【程序执行模型】

此处以一个进程为例，可以看到CPU的使用频率是波动的，说明程序在CPU突发和I/O中交替

• 每个调度决定的是在下一个CPU突发时将哪个工作交给CPU
• 在时间分片机制下，线程可能在结束当前CPU突发前被迫放弃CPU【抢占式】

4、可以从哪些方面了比较一个调度算法？

（1）CPU使用率：CPU处于忙状态所占时间百分比

（2）吞吐量：在单位时间内完成的进程数量【操作系统的计算带宽】

（3）周转时间：一个进程从初始化到结束，包括所有等待时间所花费的时间

（4）等待时间：进程在就绪队列中的总时间

（5）响应时间：从一个请求被提交到产生第一次响应所花费的总时间【操作系统的计算延迟】

• 更快：高宽带、低延迟、
• 减少响应时间：及时处理用户的输出并且尽快将输出提供给用户
• 减少平均响应时间的波动：在交互系统中，可预测性比高差异低平均更重要
• 增加吞吐量：减少系统开销、提高系统资源的利用率
• 减少等待时间：减少每个进程的等待时间

5、公平是调度算法的一种重要衡量指标：

（1）保证每个进程占用CPU的时间大致相同

（2）进程等待的时间也大致相同

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三、调度算法

1、先来先服务调度算法(FCFS)

• 该算法是采用先进先出队列实现的：如果进程在执行过程中阻塞，队列中的下一个会得到CPU
• 通过案例分析：

从程序开始执行计算周转时间，我们看到的平均周转时间；

通过对比可以发现，短队列如果在前面会降低周转时间

• 先来先服务调度算法的特点：

（1）优点：实现简单

（2）缺点：

平均等待时间波动较大

花费时间少的任务可能排在花费时间长的任务后面【这就导致等待的时间会很长】

没有考虑抢占，可能导致I/O和CPU之间的重叠处理

2、短任务优先调度算法

• 进程的执行时间越短，调度的优先级就越高
• 通过案例分析：

pw、px、py、pz为四个进程，c代表预测的执行时间

通过调度算法来完成就绪进程队列的的排序

• 如果新来一个进程，而且它的执行时间比当前运行进程的时间短怎么办？

（1）方案一：继续运行当前的进程，将新来的进程插入到就绪队列的队首，不会立刻去执行这个新来的队列【非抢占式，SPN】

（2）方案二：将当前进程从运行态切换到就绪态，并重新挂回到就绪队列中，让这个新进程去占用CPU执行【抢占式，最短剩余时间的策略，SRT】

SPN方法可以保证平均周转时间是最短的

• 短任务优先调度算法的问题：

（1）连续的短任务流会使长任务饥饿

（2）短任务可用时的任何长任务的CPU时间都会增加平均等待时间

（3）要预先知道进程任务的执行时间【利用执行的历史数据去预测】

3、最高响应比优先调度算法(HRRN)

• 属于短进程优先调度算法的一种改进 >> 不可抢占 + 进程等待时间【防止无限期推迟】
• 最高相应比公式：R = (w + s) / s【w：等待时间、s：执行时间】

4、轮循调度算法（RR）

• 各个进程轮流占用CPU【体现了公平策略】

• 案例分析：

p1-p4四个进程，甘特图为占用CPU的时间片，计算了每个进程的等待时间和平均等待时间

• 轮循算法的局限性：【时间量子就是时间片】

（1）额外的上下文切换导致很大的开销

（2）如果时间片太小。尽管反应迅速，不过吞吐量会受到大量上下文切换的影响

（3）如果时间片太大。会导致等待时间过长，极限情况下退化到先到先处理调度算法

所以应该选择一个合适大小的时间量子，维持上下文切换开销处于1%以内

• 分析不同时间片的大小对平均等待时间的影响：

5、多级队列调度算法

• 就绪队列被划分为独立的队列，不同的队列采用不同的调度算法
• 当高优先级的任务完成之后，再去执行低优先级的任务
  

6、多级反馈队列调度算法（MFQ）

• 反馈体现在进程可以在不同的队列中移动
• 进程任务随着等待时间变长，它的优先级会不断变高

7、公平共享调度算法（FFS）

8、调度算法的测评方法与汇总：

四、实时调度

之前为面向通用操作调度算法，实时操作系统一般用于工业控制

1、什么是实时系统？

• 一种正确性依赖于其时间和功能两方面的操作系统

• 性能指标体现在两方面：时间约束的及时性、速度和平均性能相对不重要

• 主要特性：时间约束的可预测性

• 实时系统又分为两类：

（1）强实时系统：需要在保证的时间内完成重要的任务，必须完成

（2）弱实时系统：要求重要的进程的优先级更高，尽量完成，并非必须

• 一次实时任务：

（1）就绪后不会立刻执行，在这段时间内执行

（2）Relative deadline 是相对截止时间，Absolute deadline是真正结束的时间

（3）Execution time 是实际执行的时间

• 周期任务：

从图中可以看出时限为5，蓝色部分为实际执行

2、对于强弱实时系统的时限有什么要求呢？

（1）硬时限

• 如果错过了最后期限，可能发生非常严重的后果
• 必须事先验证在最坏的情况下是否能满足时限
• 保证确定性

（2）软时限

• 理想情况下，时限应该被最大满足，没有满足就相应的降低要求
• 尽最大努力保证

3、设置什么样的调度算法满足硬实时和软实时的调度需求？

• 静态优先级调度：在任务执行前就已经确定了任务的优先级
• 动态优先级调度：在任务执行过程中，任务的优先级不断变化

五、多处理器调度

1、在有多个CPU的情况下，如何完成多个进程并行的调度？

这就要涉及到我们多处理器的调度算法了。

如何确保CPU的负载平衡？

六、优先级反转

通过优先级继承来解决，访问共享资源速度变快