操作系统处理器调度（CPU调度）的学习以及批处理系统中采用的调度算法、交互式系统中采用的调度算法
一、CPU调度的相关概念
- CPU调度 ： 其任务是控制、协调进程对CPU的竞争；即按一定的调度算法从就绪队列中选择一个进程把CPU的使用权交给被选中的进程
- 系统场景
- N个进程就绪、等待上CPU运行
- Ｍ个CPU。Ｍ＞＝１
- 需要决策：给哪一个进程分配哪一个CPU？
二、CPU调度需要解决的问题
- WHAT：按什么原则选择下一个要执行的进程——调度算法
- WHEN：何时进行选择 —— 调度时机
- HOW： 如何让被选中的进程上CPU运行——调度过程（进程的上下文切换）
三、 CPU调度的时机
3.1系统运行时会发生很多事件：
创建、唤醒、退出等进程的控制操作
进程等待I/O、I/O中断
时钟中断(时间片用完、计时器到时)
进程执行过程中出现abort异常
事件的发生->当前运行的进暂停运行->硬件机制响应后->进入操作系统，处理相应的事件->结束处理后：
某些进程的状态发生变化，也可以有创建了一些新的进程->就绪队列改变了->需要进程调度根据预设的调度算法从就绪队列选一个进程
3.2 进程调度的时机
- 进程正常终止或由于某种错误而终止
- 新进程创建或一个等待进程编程就绪
- 当一个进程从运行态进入阻塞态
- 当一个进程从运行态变为就绪态
总之，内核对中断、异常、系统调用处理后返回到用户态时 要重新调度
四、 CPU调度过程
4.1 进程切换
进度调度程序从就绪队列中选择了要运行的进程：这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程，也可能是令另一个进程
进程切换——是指一个进程让出处理器，由另一个进程占用处理器的过程。
进程切换的主要工作：
- 切换全局页目录以加载一个新的地址空间
- 切换内核栈和硬件上下文，其中硬件上下文包括了内核执行新进程需要的全部信息，如：CPU相关寄存器
4.2 上下文切换的具体步骤
场景： 进程A下CPU，进程B上CPU
- 保存进程A的上下文环境（程序计数器、程序状态字、其他寄存器。。。）
- 用新状态和其他相关信息更细进程A的PCB
- 把进程A移至合适的队列（就绪、阻塞、、、）
- 将进程B的状态设置为运行态
- 从进程B的PCB中恢复上下文（程序计数器、程序状态字、其他寄存器。。。）
- 直接开销：内核完成切换所用的CPU时间
- 保存和回复寄存器...
- 切换地址空间（相关指令比较昂贵）
- 间接开销
- 高速缓存（Cache）、缓冲区缓存(Buffer Cache)和TLB(Translation Lookup Buffer)失效
五、CPU调度算法
5.1 CPU调度算法的设计| 用户角度 | 系统角度 | |
| 性能 | 周转时间、响应时间、最后期限 | 吞吐量、CPU利用率 |
| 其他 | 可预测性 | 公平性、强制优化级、平衡资源 |
- 吞吐量 Throughput - 每单位时间完成的进程数目
- 周转时间TT（Turnaround Time）- 每个进程从提出请求到运行完成的时间
- 响应时间RT（Response Time）- 从提出请求到第一次回应的时间
- 其他指标
- CPU利用率（CPU Utilization）- CPU做有效工作的时间比例
- 等待时间（Waiting Time） - 每个进程在就绪队列（Ready Queue）中等待的时间
- 进程控制块PCB中 - 需要记录哪些与CPU调度有关的信息
- 进程优先级及就绪队列的组织
- I/O密集型与CPU密集型进程
- 时间片
优先级
动态优先级：进程创建时指定了一个优先级、运行过程中可以动态变化
进程就绪队列组织
抢占与非抢占（占用CPU的方式）
- 可抢占式Preemptive（可剥夺式）- 当有比正在运行的进程优先级更高的进程就绪时，系统可强行剥夺正在运行进程的CPU，提供给更高优先级的进程使用
- 不可抢占式Non-Preemptive（不可剥夺式）- 某一进程被调度运行后，除非由于它自身原因不能运行，否则一直运行下去
- I/O密集型或I/O型（I/O-bound）- 频繁的进行I/O，通常会花费很多时间等待I/O操作完成
- CPU密集型或CPU型或计算密集型（CPU-bound）- 需要大量的CPU时间进行计算
六、时间片（Time slice 或 quantum）
一个时间段，分配给调度上CPU的进程，确定了允许该进程运行的时间长度。
6.1 确定时间片时应考虑的因素：
1.进程切换的开销
2.对相应时间的要求
3.就绪进程的个数
4.CPU能力
5.进程的行为
七、批处理系统中采用的调度算法
主要衡量算法的因素（吞吐量、周转时间、CPU利用率、公平、平衡）
7.1 先来先服务（FCFS）--First Come First Serve
特点：先进先出 First in First out（FIFO） 按照进城就绪的先后顺序使用CPU 非抢占式的
优缺点: 公平 实现简单；长进程后面的短进程需要等待很长时间，不利于用户体验
例子： 三个进程按顺序就绪： P1 ，P2 ， P3
进程
P1执行需要24s, 而P2 ， P3各自需要3s
1.采用FCFS调度算法：
2. 改变调度顺序：
P2 ， P3，P1
7.2 短作业优先SJF（Shortest Job First）
特点： 具有最短完成时间的进程优先执行； 非抢占式的
最短剩余时间优先：（shortest Remaining Time Next(SRTN)）
SJF抢占式版本，即当一个新就绪的进程比当前进程具有更短的完成时间时，系统抢占当前进程，选择新就绪的进程执行。
算法思想： 先完成短的作业；改善短作业的周转时间
例子：
非抢占式的：
(P4结束为16)
抢占式的：
（P1结束为16）
优缺点：
优点： 最短的平均周转时间（条件： 在所有进程同时可运行时，采用SJF调度算法可以得到最短的平均周转时间）
缺点：不公平(源源不断的段任务到来，可能使长的任务长时间得不到运行->产生“饥饿”现象（starvation）)
7.3 最高相应比优先HRRN（Highest Response Ratio Next）
１. 是一个综合的算法
２. 调度时，首先计算每个进程的响应比R：之后总是选择R最高的进程执行
<span style="font-size:18px;"> 相应比R ＝ 周转时间／处理时间 ＝ （处理时间 ＋ 等待时间）／ 处理时间 = 1 + （等待时间 / 处理时间）</span>
八、交互式系统中采用的调度算法
衡量指标（响应时间；公平；平衡）
8.1 时间片轮转调度算法
B用完了时间片后，就到了队列队尾，然后调度选择了下个进程F进入CPU（依次轮流）。。。
1. 目标: 为短任务改善平均响应时间
2. 解决思路：
- 周期性切换
- 每个进程分配一个时间片
- 时钟中断 -> 轮换
3.如何选择合适的时间片
4.优缺点
- 公平
- 有了与交互式计算，响应时间快
- 由于进程切换，时间片轮转算法要花费较高的开销
- RR对不同大小的进程是有利的（如果相同大小的进程可以看下面的例子）
8.2 虚拟轮转法（VIRTUAL RR）
8.3 最高优先级调度算法（）
1.选择优先级最高的进程投入运行
2.通常： 系统进程优先级 高于 用户进程
前台进程优先级 高于 后台进程
操作系统更偏好 1/O型进程
3.优先级可以是静态不变的，也可以是动态调整
优先数可以决定优先级
4.就绪队列可以按照优先级组织
5.特点：实现简单；不公平（产生饥饿现象）
6.优先级反转问题（Priority Inversion）-- 又称 优先级反置、反转、倒挂
这个问题是基于 优先级抢占式的调度算法
一个低优先级的进程持有一个高优先级进程所需要的资源，使得高优先级进程等待低优先级进程运行。
影响：系统错误； 高优先级进程停滞不前，导致系统性能降低
解决方案： 设置优先级上限；优先级继承；使用中断禁止