操作系统 | 学习笔记 | 王道

2.2 处理机调度

文章目录

- - 2.2 处理机调度
  - - 2.2.1 调度的概念
    - 2.2.2 调度的目标
    - 2.2.3 调度的实现
    - 2.2.4 典型的调度算法
    - 错题总结：

2.2.1 调度的概念

调度的基本概念

处理机调度是对处理机进行分配，即从就绪队列中按照一定的算法（公平、高效的原则）去选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程并发地执行。
调度对层次

一个作业从提交开始直到完成，要经历以下三级调度，如下图所示。
- 高级调度（作业调度）
  
  内存空间有限时，无法将用户提交的作业全部放入内存，需要按一定的原则从外存的作业后备队列中挑选一个作业调入内存，并创建进程。
  
  每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立PCB，调出时才撤销PCB。
  
  作业：一个具体的任务
  
  多道批处理系统中大多配有作业调度，而其他系统中通常不需要配置作业调度。
  - 发生频率最低外存→内存（面向作业）
- 中级调度（内存调度）
  
  内存不够时，可将某些进程的数据调出外存。等内存空闲或者进程需要运行时，按照某种策略从挂起队列中选择合适的进程重新调入内存。
  
  暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。被挂起的进程PCB会被组织成挂起队列。
  - 外存→内存（面向进程）
- 低级调度（进程调度）
  
  在内存中的按照某种策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。
  - 发生频率高内存→CPU

三级调度的联系

七状态模型

挂起和阻塞的区别： 两种状态都不获得 CPU 服务，但挂起状态将进程调到外存，而阻塞态还在内存中。

三层调度对比

	要做什么	在哪调度	发生频率	对进程状态影响
高级调度（作业调度）	从后备队列中选择合适的作业将其调入内存，并为其创建进程	外存→内存 (面向作业)	最低	无→创建态→就绪态
中级调度（内存调度）	从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存	外存→内存（面向进程）	中等	挂起态→就绪态阻塞挂起→阻塞态
低级调度（进程调度）	从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机	内存→CPU	最高	就绪态→运行态

三层调度联系
- 1）作业调度为进程活动做准备，进程调度使进程正常活动起来。
- 2）中级调度将暂时不能运行的进程挂起，中级调度处于作业调度和进程调度之间。
- 3）作业调度次数少，中级调度次数略多，进程调度频率最高。
- 4）进程调度是最基本的，不可或缺。

2.2.2 调度的目标

不同的调度算法具有不同的特性，在选择调度算法时，必须考虑算法的特性。评价标准如下。

CPU利用率：指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例。
$利用率=\frac{忙碌的时间}{总时间}$
系统吞吐率：单位时间内完成作业的数量。
$系统吞吐率=\frac{总共完成了多少道作业}{总共花了多少时间}$
周转时间：指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。
$周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间$
平均周转时间：指多个作业周转时间的平均值。
$平均周转时间=\frac{各个作业周转时间之和}{作业数}$
带权周转时间：作业周转时间与作业实际运行时间的比值。带权周转时间必然≥1
$带权周转时间=\frac{作业周转时间}{作业实际运行时间}=\frac{作业完成时间-作业提交时间}{作业实际运行时间}$
平均带权周转时间：多个作业带权周转时间的平均值。
$平均带权周转时间=\frac{各个作业带权周转时间之和}{作业数}$
等待时间

等待时间，指进程/作业处于等待处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。
$等待时间 = 周转时间 - 运行时间$
- 对于进程来说，等待时间就是指进程建立后等待被服务的时间之和。
- 对于作业来说，不仅要考虑建立进程后的等待时间，还要加上作业在外存后备队列中等待的时间。
平均等待时间：各个进程/作业等待时间的平均值。
$平均等待时间=\frac{各个进程/作业等待时间之和}{进程/作业数}$
响应时间：从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。

2.2.3 调度的实现

调度程序（调度器）

用于调度和分派CPU 的组件称为调度程序，它通带由三部分组成，如图所示。
- 排队器：将系统中的所有就绪进程按照一定的策略排成一个或多个队列，以便于调度程序选择。每当有一个进程转变为就绪态时，排队器便将它插入到相应的就绪队列中。
- 分派器：依据调度程序所选的进程，将其从就绪队列中取出，将CPU分配给新进程。
- 上下文切换器：在对处理机进行切换时，会发生两对上下文的切换操作：
  - 第一对，将当前进程的上下文保存到其PCB中，再装入分派程序的上下文，以便分派程序运行；
  - 第二对，移出分派程序的上下文，将新选进程的CPU现场信息装入处理机的各个相应寄存器。
调度的时机
- 需要调度
  - 主动放弃：进程正常终止；运行过程中发生异常而终止；主动阻塞（比如等待IO）
  - 被动放弃：时间片用完；有更紧急的事情处理（I/O中断）；有更高优先级的进程进入就结队列
- 不能调度
  - 处理中断的过程中
  - 进程在操作系统内核程序临界区中
  - 原子操作过程中
临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥地访问临界资源。

临界区：访问临界资源的那段代码。

内核程序临界区一般是用来访问某种内核数据结构的，比如进程的就绪队列（由各就绪进程的PCB组成）
进程调度方式
- 非剥夺调度方式
  
  又称非抢占方式。即，只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便有更紧迫的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。
  
  实现简单，系统开销小但是无法及时处理紧急任务，适合于早期的批处理系统
- 剥夺调度方式
  
  又称抢占方式。当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机，则立即暂停在执行的进程，将处理机分配给更重要紧迫的那个进程。
  
  可以优先处理更紧急的进程，也可实现让各进程按时间片轮流执行的功能（通过时钟中断）。适合于分时操作系统、实时操作系统
进程切换
- 上下文切换：切换CPU到另一个进程需要保存当前进程状态并恢复另一个进程的状态。
  - 对原来运行进程各种数据的保存
  - 对新的进程各种数据的恢复（如：程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息，这些信息一保存在进程控制块）
  上下文：某一时刻CPU寄存器和程序计数器的内容。
  
  切换流程：
  - 挂起一个进程，保存CPU上下文，包括程序计数器和其他寄存器。
  - 更新PCB信息。
  - 把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。
  - 选择另一个进程执行，并更新其PCB。
  - 跳转到新进程PCB中的程序计数器所指向的位置执行。
  - 恢复处理机上下文。
- 上下文切换的消耗
  
  上下文切换需要消耗大量CPU时间，有些处理器有多个寄存器组，则切换只需改变指针。
  
  进程切换是有代价的，因此如果过于频繁的进行进程调度、切换，必然会使整个系统的效率降低，使系统大部分时间都花在了进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少。
- 上下文切换与模式切换
  - 模式切换是用户态和内核态之间的切换，CPU逻辑上可能还在执行同一进程。用户进程最开始都运行在用户态，若进程因中断或异常进入核心态运行，执行完后又回到用户态刚被中断的进程运行。
  - 上下文切换切换了进程，只能发生在内核态，它是多任务操作系统中的一个必需的特性。
不能进行调度和切换的情况：

1.处理中断的过程中

2.需要完全屏蔽中断的原子操作过程中
闲逛进程

调度程序永远的备胎，没有其他就绪进程时，运行闲逛进程（idle）

特性：
- 优先级最低；
- 可以是0地址指令，占一个完整的指令周期（指令周期末尾例行检查中断）
- 能耗低
闲逛进程不需要CPU之外的资源，它不会被阻塞。
两种线程的调度
- 用户级线程调度。由于内核并不知道线程的存在，所以内核还是和以前一样，选择一个进程，并给予时间控制。由进程中的调度程序决定哪个线程运行。
- 内核级线程调度。内核选择一个特定线程运行，通常不用考虑该线程属于哪个进程。对被选择的线程赋予一个时间片，如果超过了时间片，就会强制挂起该线程。
用户级线程的线程切换在同一进程中进行，仅需少量的机器指令；

内核级线程的线程切换需要完整的上下文切换、修改内存映像、使高速缓存失效，这就导致了若干数量级的延迟。

2.2.4 典型的调度算法

先来先服务（FCFS）
- 算法思想：主要从“公平”的角度考虑（类似于我们生活中排队买东西的例子）
- 算法规则：按照作业/进程到达的先后顺序进行服务
- 用于作业/进程调度：
  - 用于作业调度时，考虑是哪作业先达后备队列；
  - 用于进程调度时，考虑的是哪个进程先到达就绪队列
- 优缺点：
  - 优点：公平、算法实现简单
  - 缺点：排在长作业（进程）后面的短作业需要等待很长时间，带权周转时间很大，对短作业来说用户体验不好。即，FCFS算法对长作业有利，对作（Eg：排队。）
- 非抢占式的算法；不会导致饥饿
短作业优先（SJF）
- 算法思想：追求最少的平均等待时间，最少的平均周转时间、最少的平均平均带权周转时间
- 算法规则：最短的作业/进程优先得到服务（所谓“最短”，是指要求服务时间最短）
- 用于作业/进程调度
  - 即可用于作业调度，也可用于进程调度。
  - 用于进程调度时为"短进程优先"（SPF，Shortest Process First）
- 优缺点
  - 优点：
    
    “最短的”平均等待时间、平均周转时间；
    - 在所有进程都几乎同时到达时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少；
    - “抢占式的短作业/进程优先调度算法（最短剩余时间优先，SRNT算法）的平均等待时间、平均周转时间最少”
  - 缺点：不公平。对短作业有利，对长作业不利。可能产生饥饿现象。另外，作业进程的运行时间是由用户提供的，并不一定真实，不一定能做到真正的短作业优先。
- 抢占式的算法；会导致饥饿
  
  SJF和SPF是非抢占式的算法。但是也有抢占式的版本：最剩间优先算法（SRTN，Shortest Remaining Time Next）
  
  每当有进程加入就绪队列改变时就需要调度，如果新到达的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短，则由新进程抢占处理机，当前运行进程重新回到就绪队列。另外，当一个进程完成时也需要调度
高响应比优先（HRRN）

饿的越久，叫的越大声
- 算法思想：要综合考虑作业/进程的等待时间和要求服务的时间
- 算法规则：在每次调度时先计算各个作业/进程的响应比，选择响应比最高的作业/进程为其服务
  $响应比=\frac{等待时间+要求服务时间}{要求服务时间}$
  高响应比优先算法：非抢占式的调度算法，只有当前运行的进程主动放CPU（常/常成，主动阻塞），需行调度，调度时计算所有就绪进程的响应比，选响应比最高的进程上处理机。
- 用于作业/进程调度：即可用于作业调度，也可用于进程调度
- 优缺点
  - 综合考虑了等待时间和运行时间（要求服务时间）等待时间相同时，要求服务时间短的优先（SJF的优点）；
  - 要求服务时间相同时，等待时间长的优先（FCFS的优点）
  - 对于长作业来说，随着等待时间越来越久，其响应比也会越来越大，从而避免了长作业饥饿的问题
- 非抢占式的算法；不会导致饥饿
  
  非抢占式的算法。因此只有当前运行的作业/进程主动放弃处理机时，才需要调度，计算响应比
时间片轮转调度算法（RR）
- 算法思想：公平地、轮流地为各个进程服务，让每个进程在一定时间间隔内都可以得到响应
- 算法规则：按照各进程到达就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个时间片（如100ms）。若进程未在一个时间片内执行完，则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队。
- 用于作业/进程调度：用于进程调度（只有作业放入内存建立了相应的进程后，才能被分配处理机时间片）
- 优缺点
  - 优点：公平；响应快，适用于分时操作系统；
  - 缺点：由于高频率的进程切换，因此有一定开销；不区分任务的紧急程度。
- 抢占式的算法；不会导致饥饿
  
  若进程未能在时间片内运行完，将被强行剥夺处理机使用权，因此时间片轮转调度算法属于抢占式的算法。由时钟装置发出时钟中断来通知CPU时间片已到
优先级调度算法
- 算法思想：随着计算机的发展，特别是实时操作系统的出现，越来越多的应用场景需要根据任务的紧急程度来决定处理顺序
- 算法规则：每个作业/进程有各自的优先级，调度时选择优先级最高的作业/进程
- 用于作业/进程调度：既可用于作业调度，也可用于进程调度。甚至，还会用于在之后会学习的I/O调度中
- 优缺点
  - 优点：用优先级区分紧急程度、重要程度，适用于实时操作系统。可灵活地调整对各种作业/进程的偏好程度
  - 缺点：若源源不断地有高优先级进程到来，则可能导致饥饿
- 抢占式/非抢占式的算法；会导致饥饿
  
  抢占式、非抢占式都有。做题时的区别在于：非抢占式只需在进程主动放弃处理机时进行调度即可，而抢占式还需在就绪队列变化时，检查是否会发生抢占。
- 优先级排序
  
  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I/O型进程（或称I/O繁忙型进程）
  
  注：与I/O型进程相对的是计算型进程（或称CPU繁忙型程）
- 优先级分类：根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级两种。
  - 静态优先级：创建进程时确定，之后一直不变
  - 动态优先级：创建进程时有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级。
  就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织。另外，也可以把优先级高的进程排在更靠近队头的位置
多级队列调度算法
- 系统中按进程类型设置多个队列，进程创建成功后插入某个队列
- 队列之间可采取固定优先级，或时间片划分
  - 固定优先级：高优先级空时低优先级进程才能被调度
  - 时间片划分：如三个队列分配时间50%、40%、10%
- 各队列可采用不同的调度策略，如
  
  系统进程队列采用优先级调度、交互式队列采用RR、批处理队列采用FCFS
多级反馈队列调度算法
- 算法思想：对其他调度算法的折中权衡
- 算法规则：
  - 1.设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大
  - 2.新进程到达时先进入第1级队列，按FCFS原则排队等待被分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾。如果此时已经是在最下级的队列，则重新放回该队列队尾
  - 3.只有第k级队列为空时，才会为k+1级队头的进程分配时间片
- 用于作业/进程调度：用于进程调度
- 优缺点
  - 对各类型进程相对公平（FCFS的优点）；
  - 每个新到达的进程都可以很快就得到响应（RR优点）；
  - 短进程只用较少的时间就可完成（SPF优点）；
  - 不必实现估程运时间（避用户作假）；
  - 可灵活地调整对各类进程的偏好程度，比如CPU密集型进程、IO密集型进程
  拓展：可以将因I/O而阻塞的进程重新放回原队列，这样I/O型进程就可以保持较高优先级
- 抢占式的算法；会导致饥饿
  
  在k级队列的进程运行过程中，若更上级的队列（1~k-1级）中进入了一个新进程，则由于新进程处于优先级更高的队列中，因此新进程会抢占处理机，原来运行的进程放回k级队列队尾。

	先来先服务	短作业优先	高响应比优先	时间片轮转	多级反馈队列
能否是可抢占	否	能	能	能	队列内算法不一定
能否是非抢占	能	能	能	否	队列内算法不一定
优点	公平，实现简单	平均等待时间最少，效率最高	兼顾长短作业	兼顾长短作业	兼顾长短作业，有较好的的响应时间，可行性强
缺点	不利于短作业	长作业会饥饿，估计时间不易确定	计算响应比的开销大	平均等待时间较长，上下文切换浪费时间	无
适用于	无	作业调度，批处理系统	无	分时系统	相当通用
默认决策模式	非抢占	非抢占	非抢占	抢占	抢占