操作系统-处理机调度

处理机调度

按照算法把要处理的进程或线程分配给处理机。

调度的层次

高级调度（作业调度）

从外存上的后备队列中挑选一个或以上的作业，分配系统资源，建立相关进程。

一个作业只调出、调入一次。

中级调度（内存调度）

引入是为了提高系统利用率和系统吞吐量。

把暂不能运行的进程调去外存挂起（挂起态），等能运行了，内存也有空，再调回内存，改成就绪态。

低级调度（进程调度）

按照调度算法把处理机调度的基本单位（进程或线程）分配给处理机。

调度算法性能评价

①CPU利用率

CPU的利用率=CPU有效工作时间  /  CPU有效工作时间+CPU空闲等待时间

②系统吞吐量

单位时间内CPU完成作业的数量。

③周转时间

从作业提交到作业完成所经历的时间。

周转时间=作业完成时间  -  作业提交时间

带权周转时间=作业周转时间 /  作业实际运行时间

平均周转时间=（作业1的周转时间+作业2的周转时间+......+作业n的周转时间）/n

平均带权周转时间=（作业1的带权周转时间+作业2的带权周转时间+......+作业n的带权周转时间）/n

④等待时间

进程处于等处理机的时间和。

⑤响应时间

用户提交请求到系统首次产生响应所用的时间

 

调度的实现

调度程序

排队器

将所有就绪进程按照策略排成一队或多队。

由进程转变就绪态时，就安排它入队。

分派器

把就绪队列的进程拿出来给CPU运行。

上下文切换器

处理机切换时，先将当前进程的上下文保存到其PCB，再装入分派程序的上下文，运行分派程序

，然后移除分派程序的上下文，将新选进程的现场按照PCB复原。

上下文切换会消耗大量cpu时间，所以有些处理器提供多个寄存器组，这样上下文切换只需要改变寄存器组的指针。

上下文：每个任务运行前，CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行，这就涉及到 CPU 寄存器 和 程序计数器（PC）：

CPU 寄存器：

 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存；
程序计数器：

存储 CPU 正在执行的指令位置，或者即将执行的指令位置。

调度时机、切换与过程：

不能进行调度与切换

①在处理中断过程中

②进程在操作系统内核临界区中

③在其他需要完全屏蔽中断的原子操作中

应当进行进程调度与切换的情况：

①只有当前程序自主让出处理机，或不能继续运行时进行调度。每个进程排队处理将就先来后到。（非抢占式调度，优点：实现简单，系统开销小。适用于大多数批处理系统）

②中断处理结束或自陷结束后（有优先级高的任务会中断现在处理的任务，让优先级高的占据处理机），此时可以调度。优先级高的进程可以一定条件下优先使用处理机（抢占式调度，优点：提高系统吞吐率和响应效率）

闲逛进程

进程切换时，若系统没有就绪进程，会调度闲逛进程。优先级最低，有就绪进程立面让出处理机。

典型的调度算法

1.先来先服务（FCFS）调度算法

每次从后备队列中选择最先进入的进程调入内存。

非抢占式。

特点：算法简单，效率低，长作业有利，短作业不利。利于CPU繁忙作业，不利于I/O繁忙作业。

2.短作业（SJF）优先调度算法

选择估计运行时间最短的作业（进程）调入内存。

非抢占式

3.优先级调度算法

即用于作业调度，又可用于进程调度。

据新的最高级进程是否能抢占当前进程分为：

①非抢占式优先级调度算法

②抢占式优先调度算法

根据进程创建后优先级可否改变分为：

①静态优先级

②动态优先级

一般情况下的优先级设置：

①系统进程>用户进程

②交互型进程>非交互型进程

③I/O型进程>计算型进程

4.高响应比优先调度算法

作为一种对FCFS与SJF算法的综合，选择响应比最高的进程调度。

响应比R=等待时间+要求服务时间/要求服务时间

5.时间片轮转调度算法

系统将进程按照FCFS排成就绪队列，一个进程运行固定的时间片后切换下一个进程，被换下的进程排到队尾。

6.多级队列调度算法

该算法按照类型和性质设置了多个进程的就绪队列。

同一队列里可设置不同优先级，，不同队列本身也可设置不同优先级。

7.多级反馈队列调度算法

该算法时时间片轮转调度算法和优先级调度算法的综合发展。

动态调整进程优先级和时间片大小，该算法可以兼顾多方面的系统目标。