操作系统学习笔记：CPU调度

CPU调度的目的在于提高CPU利用率，不让CPU闲着。CPU是宝贵的资源，如果有一个进程，本来在CPU中运行，忽然因为要使用IO资源，于是转而请求IO，这边CPU挂起，造成就绪队列中的其他进程等待，这样就造成了浪费。

一、CPU调度算法

1、先到先服务（FCFS）

谁先请求CPU谁先得到服务，一直到服务完。这应该是最简单的调度了。但效率不高，有些只须很短CPU区间的进程也只能死等，会造成平均等待时间较长。

2、最短作业优先（SJF）

最佳调度算法，平均等待时间最小。问题在于，如何知道下一个CPU区间的长度，或者说，如何知道进程要消耗多少CPU时间？

可以通过一定的算法来预测这个长度。

3、优先级

进程被赋予优先级。优先级高的先获得CPU。

优先级调度可以是抢占式也可以是非抢占式。、

抢占式：优先级高的进程到达就绪队列时，假如正在运行的进程优先级比它低，立刻抢占CPU；

非抢占式：优先级高的进程到达就绪队列时，排在就绪队列头部

缺点是会产生无穷堵塞或饥饿，造成有些低优先级进程无线等待。

解决饥饿问题，是老化。即等待时间越长的进程，其优先级会递增。

4、轮转法（RR）

限定CPU时间片，就绪队列中的进程轮流执行，每个进程执行完毕即退出，否则重新排队。如果时间片足够长，就等于FCFS。

轮转法专为分时系统而设计。

5、多级队列

设置多条、优先级不同的就绪队列，进程散落其中。一旦归入某条队列，不可以转移到别的队列。优先级高的队列先执行，直至为空，才到次优先级的队列。一旦高优先级队列又有新进程进入，马上抢占CPU。

同样，存在饥饿问题。

6、多级反馈队列

同多级队列，但允许进程迁移。假如某个进程消耗CPU时间片次数多，即沉入低优先级队列。可以防止饥饿。

二、多处理器调度

1、非对称多处理和对称多处理

非对称多处理：一个CPU负责调度、IO处理及其他系统活动，而其他CPU只执行用户代码。好处是只有一个CPU访问系统数据，减轻了数据共享的需要。

对称处理（SMP）：每个CPU都可以调度，甚至有私有的就绪队列。算法比较复杂。现代操作系统都支持SMP。

2、处理器亲和性

努力让一个进程只在同一个处理器上运行，就叫处理器亲和性。

主要是因为进程迁移到其他处理器，缓存需要重新构建。所以这是OS极力避免的情况。

亲和性有软硬之分。如果只是努力，而不能保证，则软也；如果硬性规定，则为硬也，如Linux。

3、负载均衡

如何尽快将众多嗷嗷待运的进程放入CPU中运行，以完全利用多CPU的优点，就涉及到负载均衡。

通常有2种方法：

1）推

一个特定任务周期性地检查各个CPU，发现不平衡即进行适当调配

2）拉

CPU空闲时，即主动从其他地方拉一个进程过来运行，。

负载均衡与处理器亲和性是矛盾的。如何取得平衡，有个度的考量。

4、对称多线程（SMT)

多物理CPU同时运行多线程，是为对称多处理器（SMP）；提供多个逻辑CPU，来同时运行多线程，即为对称多线程（SMT，英特尔处理器中称为超线程）。

SMT的思想是同一个物理CPU上生成多个逻辑CPU。

SMT是硬件提供的，而不是软件。

5、线程调度

OS调度的是内核线程。一个用户线程要得到CPU运行，有2个步骤要走：

1）用户线程与内核线程挂钩

2）内核线程获得CPU

用户线程与内核线程的对应关系有一对一，多对一，多对多等关系。在后二者模型中，线程库调度用户线程到一个LWP（轻量级进程）。

但这并不意味着用户线程可以执行。当线程所在进程获得CPU时，进程内的线程还要经过争用，获得CPU。

获得LWP，叫进程竞争范围（PCS）；

获得CPU，叫系统竞争范围（SCS)。

所有的用户线程与内核线程对应的模型中，都需要SCS。一对一模型中，只有SCS。