【操作系统】处理机调度

处理机调度

处理机调度概念
- 调度概念
- 调度时机
调度原则
调度算法
实时调度
优先级翻转

处理机调度概念

调度概念

进程切换： CPU资源的当前占用者切换

保存当前进程在PCB中的执行上下文(CPU状态)
恢复下一个进程的执行上下文

处理机调度:

从就绪队列中挑选下一个占用CPU运行的进程
从多个可用CPU中挑选就绪进程可使用的CPU资源

调度程序：挑选就绪进程的内核函数

在进程 / 线程的生命周期中的什么时候进行调度？

调度时机

在进程的生命周期中，当进程从一个运行状态到另外一状态变化的时候，其实会触发一次调度。比如，以下状态的变化都会触发操作系统的调度：

从就绪态 -> 运行态：当进程被创建时，会进入到就绪队列，操作系统会从就绪队列选择一个进程运行；
从运行态 -> 阻塞态：当进程发发生 I/O 事件而阻塞时，操作系统必须另外一个进程运行；
从运行态 -> 结束态：当进程退出结束后，操作系统得从就绪队列选择另外一个进程运行；

因为，这些状态变化的时候，操作系统需要考虑是否要让新的进程给 CPU 运行，或者是否让当前进程从CPU 上退出来而换另一个进程运行。

另外，如果硬件时钟提供某个频率的周期性中断，那么可以根据如何处理时钟中断，把调度算法分为两类：

非抢占式调度算法挑选一个进程，然后让该进程运行直到被阻塞，或者直到该进程退出，才会调用另外一个进程，也就是说不会被时钟中断这个事情。
抢占式调度算法挑选一个进程，然后让该进程只运行某段时间，如果在该时段结束时，该进程仍然在运行时，则会把它挂起，接着调度程序从就绪队列挑选另外一个进程。这种抢占式调度处理，需要在时间间隔的末端发生时钟中断，以便把 CPU 控制返回给调度程序进⾏调度，也就是常说的时间片机制。

调度原则

调度策略：确定如何从就绪队列中选择下一个执行进程

调度策略要解决的问题：挑选就绪队列中的哪一个进程 ?通过什么样的准则来选择 ?

原则1：如果运行的程序，发生了 I/O 事件的请求，那 CPU 使用率必然会很低，因为此时进程在阻塞等待硬盘的数据返回。这样的过程，势必会造成 CPU 突然的空闲。所以，为了提高 CPU 利用率，在这种发送I/O 事件致使 CPU 空闲的情况下，调度程序需要从就绪队列中选择⼀个进程来运行。

原则2：有的程序执行某个任务花费的时间会比较长，如果这个程序⼀直占⽤着 CPU，会造成系统吞吐量（CPU 在单位时间内完成的进程数量）的降低。所以，要提高系统的吞吐率，调度程序要权衡⻓任务和短任务进程的运行完成数量。

原则3：从进程开始到结束的过程中，实际上是包含两个时间，分别是进程运行时间和进程等待时间，这两个时间总和就称为周转时间。进程的周转时间越小越好，如果进程的等待时间很长而运行时间很短，那周转时间就很长，这不是我们所期望的，调度程序应该避免这种情况发⽣。

原则4：：处于就绪队列的进程，也不能等太久，当然希望这个等待的时间越短越好，这样可以使得进程更快的在 CPU 中执行。所以，就绪队列中进程的等待时间也是调度程序所需要考虑的原则。

原则5：对于鼠标、键盘这种交互式比较强的应用，我们当然希望它的响应时间越快越好，否则就会影响用户体验了。所以，对于交互式比较强的应用，响应时间也是调度程序需要考虑的原则。

针对上面的五种调度原则，总结成如下：

CPU 利⽤率：调度程序应确保 CPU 是始终匆忙的状态，这可提高 CPU 的利用率；
系统吞吐量：吞吐量表示的是单位时间内 CPU 完成进程的数量，长作业的进程会占用较长的 CPU 资源，因此会降低吞吐量，相反，短作业的进程会提升系统吞吐量；
周转时间：周转时间是指进程初始化到结束（包括等待）的总时间，一个进程的周转时间越小越好；
等待时间：这个等待时间不是阻塞状态的时间，而是进程处于就绪队列的总时间，等待的时间越长，用户越不满意；
响应时间：用户提交请求到产生响应所花费的总时间，在交互式系统中，响应时间是衡量调度算法好坏的主要标准。

说白了，这么多调度原则，目的就是要使得进程要快

调度算法

01 先来先服务算法

最简单的一个调度算法，就是非抢占式的先来先服务（First Come First Served, FCFS）算法了。

顾名思义，先来后到，每次从就绪队列选择最先进入队列的进程，然后一直运行，直到进程退出或被阻塞，才会继续从队列中选择第一个进程接着运行。

这似乎很公平，但是当一个长作业先运行了，那么后面的短作业等待的时间就会很长，不利于短作业。
FCFS 对长作业有利，适用于 CPU 繁忙型作业的系统，而不适用于 I/O 繁忙型作业的系统
I/O 资源和 CPU资源的利用率较低，CPU密集型进程会导致I/O设备闲置时，I/O密集型进程也等待

02 最短作业优先调度算法

最短作业优先（Shortest Job First, SJF）调度算法同样也是顾名思义，它会优先选择运行时间最短的进程来运行，这有助于提高系统的吞吐量

这显然对长作业不利，很容易造成⼀种极端现象。比如，一个长作业在就绪队列等待运行，而这个就绪队列有非常多的短作业，那么就会使得长作业不断的往后推，周转时间变长，致使长作业长期不会被运行。

03 高响应比优先算法

前面的「先来先服务调度算法」和「最短作业优先调度算法」都没有很好的权衡短作业和长作业。

高响应比优先（Highest Response Ratio Next, HRRN）调度算法主要是权衡了短作业和长作业。

每次进行进程调度时，先计算「响应比优先级」，然后把「响应比优先级」最高的进程投入运行，「响应比优先级」的计算公式：

从上面的公式，可以发现：

如果两个进程的「等待时间」相同时，「要求的服务时间」越短，「响应比」就越高，这样短作业的进程容易被选中运行；
如果两个进程「要求的服务时间」相同时，「等待时间」越长，「响应比」就越高，这就兼顾到了长作业进程，因为进程的响应比可以随时间等待的增加而提高，当其等待时间足够长时，其响应比便可以升到很高，从而获得运行的机会；

04 时间片轮转算法

最古老、最简单、最公平且使⽤最广的算法就是时间片轮转（Round Robin, RR）调度算法

每个进程被分配一个时间段，称为时间片（Quantum），即允许该进程在该时间段中运行

如果时间片用完，进程还在运行，那么将会把此进程从 CPU 释放出来，并把 CPU 分配给另外⼀个进程；
如果该进程在时间片结束前阻塞或结束，则 CPU 立即进行切换；

另外，时间片长度就是⼀个很关键的点：

如果时间片设得太短会导致过多的进程上下文切换，降低了 CPU 效率；
如果设得太长（极限长变成了先来先服务）又可能引起对短作业进程的响应时间变长。

⼀般来说，时间片设为 20ms~50ms 通常是⼀个比较合理的折中值。

05 最高优先级调度算法

前面的「时间片轮转算法」做了个假设，即让所有的进程同等重要，也不偏袒谁，大家的运行时间都一样。

但是，对于多用户计算机系统就有不同的看法了，它们希望调度是有优先级的，即希望调度程序能从就绪队列中选择最高优先级的进程进行运行，这称为最高优先级（Highest Priority First，HPF）调度算法。

进程的优先级可以分为，静态优先级和动态优先级：

静态优先级：创建进程时候，就已经确定了优先级，然后整个运行时间优先级都不会变化；
动态优先级：根据进程的动态变化调整优先级，比如如果进程运行时间增加，则降低其优先级，如果进程等待时间（就绪队列的等待时间）增加，则升高其优先级，也就是随着时间的推移增加等待进程的优先级。。

但是依然有缺点，可能会导致低优先级的进程永远不会运行。

06 多级反馈队列调度算法

多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue，MLFQ）调度算法是「时间片轮转算法」和「最高优先级算法」的综合和发展。

顾名思义：

「多级」表示有多个队列，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短。
「反馈」表示如果有新的进程加入优先级高的队列时，立刻停止当前正在运行的进程，转而去运行优先级高的队列；

工作原理：

设置了多个队列，赋予每个队列不同的优先级，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短；
新的进程会被放入到第一级队列的末尾，按先来先服务的原则排队等待被调度，如果在第一级队列规定的时间片没运行完成，则将其转入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成；
当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时，有新进程进入较高优先级的队列，则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾，接着让较高优先级的进程运行；

可以发现，对于短作业可能可以在第一级队列很快被处理完。对于长作业，如果在第一级队列处理不完，可以移入下次队列等待被执行，虽然等待的时间变长了，但是运行时间也变更长了，所以该算法很好的兼顾了长短作业，同时有较好的响应时间。