1 背景

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什么时候切换，根据什么原则切换与CPU调度有关

当状态转换时要进行调度，特别是运行态有关的，比如运行态->阻塞态等。

非抢占式：确保进程启动后不可被打扰，效率不高
抢占式：常用的调度策略（针对的是用户态的进程）。内核是否可以抢占？当一个用户进程执行一个系统调用，内核中不会导致这个进程处于等待状态，还是处于运行状态，返回的还是发起这个系统调用的进程，也就是说内核中不会发生抢占现象
现在有的系统也可以做到内核里的抢占

2 调度原则

2.1 调度策略

2.2 程序执行模型

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针对一个进程，有的时候CPU会很忙，有的时候会空闲下来（如I/O操作时），我们希望，当CPU空闲下来时，其他进程来使用CPU，以充分利用CPU

2.3 比较调度算法的准则

调度算法的评价指标：
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CPU使用率：越高，系统效率越好
吞吐量：越高，进程的效率越好
周转时间：启动进程到完成进程，即等待时间＋服务时间
等待时间：处于就绪态的进程等多少时间才到运行态到CPU运行
响应时间：外设发出一个请求，该请求被进程处理完毕，响应时间越快越好

2.4 吞吐量vs延迟

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低延迟：响应时间快
高带宽：吞吐量很高
都可以认为是很快的体现

2.5 公平的目标

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以上的指标,鱼和熊掌不可兼得

期望os通过调度算法给每个进程能够公平的得到CPU的服务,即得到CPU的时间大致是公平的,等待执行的时间也大致是公平的

3 调度算法

介绍大致3种:

通常os中的基本的调度算法
嵌入式中实时的特殊的调度算法
多核(CPU)的调度算法

3.1 先来先服务(FCFS)

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优点：简单（先来的在链表头，后来的在链表尾）
缺点：平均等待时间和周转时间都会比较长，受制于前面的进程的执行时间，未考虑抢占，响应时间也会受影响

3.2 短进程优先（SPN/SRT）

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当来了一个进程比正在运行的进程还要短，则有2个策略：

非抢占方式：不管它，把新来的继续放在就绪队列
抢占式（SRT）：当前运行的进程还剩时间片：8，来的时间片：5，则把正在运行的转换成就绪态，新来的执行

好处：平均等待时间变少
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缺点：

优先考虑短任务，比较长的会有饥饿现象，长期得不到执行，不满足公平性原则
不知道执行时间就很难实现这个算法

既然不知道执行时间，那么就进行预估，根据执行历史来预估
t_n：当前时间段内占多少时间执行
tao_n ：根据以前情况估计的执行时间

3.3 最高响应比优先（HRRN）

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R越大，等待时间越长，则优先调度
不考虑抢占
还是不知道进程执行时间
考虑了等待时间

3.4 轮循（Round Robin）

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每个进程轮流使用CPU

假设给每个进程分配的时间片都是20，当执行P1时，P1需要53时间，而他只能执行20时间，P2只需要8就可以执行完成，之后执行P3

需要比较多的上下文切换的时间，以让每个进程都能有时间执行
时间片（时间量子）的设置：太小会切换太频繁，太大会退化为FCFS
（瞬间画面清晰大法）

FCFS的公平性不如RR
FCFS的效率取决于谁先来，若先来的是长的，就效率低

3.5 多级反馈队列（MLFQ）（动态调整）

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把就绪队列分成很多个不同的队列，不同的队列采取不同的调度算法。比如，最高级队列采取短进程优先，低级队列采取FCFS，考虑进程的特点

加入一个进程最开始是交互进程(i/O密集型)，其优先级较高，会有等待时间，等待时间越长，优先级提的越高。做完交互后，开始大量计算，可能会占用CPU时间较长（CPU密集型），时间片会用的很快，一旦用完1个时间片，就把他降到下一个优先级，时间片越多，优先级越低。
需要交互的进程放在较高优先级处，使得一旦得到它所需要的，就能立即响应执行。

3.6 公平共享（Fair-share scheduling）

强调公平
面向服务器（科学计算），多人多用户共享1台计算机，有的用户开得进程较多，有的开的少，要在用户层面实现公平共享，对CPU的公平的调用
最新的linux采取了这种该算法
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3.7 算法评价

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建立数学模型，如建立一个队列，建立一个模拟器来讨论算法如何
更期望在真实系统中跑，才能看出实际的影响，毕竟调度算法与硬件也有关系

4 实时调度

4.1 实时系统

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用在工业控制，如火车、机床、嵌入式工厂里需要确保某些任务在规定时间内完成
实时系统的特点：确定性和可预测性
分为：
- 强实时系统：需要在保证的时间内完成重要的任务，必须完成（如果重要任务不按时完成会产生灾难性后果，水坝不及时放掉水就会有严重后果）
- 弱实时系统：要求重要的进程优先级跟高，尽量完成，非必需（在视频，每秒60帧，不会产生太严重的后果）

衡量1个进程能否完成实质性的需求，用一些术语来描述它：
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Released time : 让进程处于就绪的时间
Relative deadline : 相对时间，每个时间段内完成特定任务
Execution time : 执行的时间
Absolute deadline : 最终截至时间，执行结束的时间不能超出这个时间

上图，

周期p=5，
蓝色为执行时间，不能超出p

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4.2 可调度性

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静态优先级调度：在任务执行前就把优先级确定了，根据优先级选择任务，在规定时间内执行完成
动态优先级调度：任务随着执行的过程，其周期会变化，不同时刻其优先级会有区别

4.3 单调速率（RM）

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开始前就确定优先级，执行周期越短优先级越高

4.4 截止日期最早优先（EDF）

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5 多处理器调度（多CPU）

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os需考虑：

把进程放在那个CPU
平衡每个CPU的工作量

6 优先级反转

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优先级： T1>T2>T3
T3先来执行，执行到t2时访问共享资源，到t3时，T1来了，开始执行T1，到t4时，T1也要访问共享资源，但该共享资源被T3占用并且未释放，所以转去执行T3，到t5时，T2来了开始执行T2，到t6时，继续执行T3，此时，T1一致未完成执行
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解决：