【操作系统】Operation System-第8章-调度

操作系统—调度

背景

上下文切换

• 切换CPU的当前任务，从一个进程/线程到另一个
• 保存当前 进程/线程 在 PCB/TCB 中的执行上下文（CPU状态）
• 读取下一个进程/线程的上下文

CPU调度

• 从就绪队列中挑选一个进程/线程作为CPU将要运行的下一个进程/线程
• 调度程序：挑选进程/线程的内核函数（通过一些调度策略）
• 什么时候进行调度？

CPU调度时间

补充：

调度原则

调度策略

• 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？

• 调度算法

  ➢ 在调度程序中实现的调度策略

• 比较调度算法的准则

  ➢ 哪一个策略/算法较好？

程序执行模型

比较调度算法的准则

• CPU使用率

  ➢ CPU处于忙状态所占时间的百分比

• 吞吐量

  ➢ 在单位时间内完成的进程数量

• 周转时间

  ➢ 一个进程从初始化到结束，包括所有等待时间所花费的总时间

• 等待时间

  ➢ 进程在就绪队列中的总时间

• 响应时间

  ➢ 从一个请求被提交到产生第一次相应所花费的总时间

吞吐量 vs 延迟

• 人们通常都需要 ”更快“ 的服务

• 什么是更快？

  ➢ 传输文件时的高带宽

  ➢ 玩游戏时的低延迟

  ➢ 这两个因素是独立的

• 和水管类比

  ➢ 低延迟：喝水的时候想要一打开水龙头水就流出来（响应时间）

  ➢ 高带宽：给游泳池充水时希望从水龙头里同时流出大量的水，并且不介意是否存在延迟（吞吐量）

• 我们的目标：

  ➢ 减少响应时间：及时处理用户的输出并且尽快将输出提供给用户

  ➢ 减少平均响应时间的波动：在交互系统中，可预测性比高差异性低平均更重要

  ➢ 增加吞吐量—两个方面：

  ​ √ 减少开销（操作系统开销，上下文切换）

  ​ √ 系统资源的高效率用（CPU，I/O设备）

  ➢ 减少等待时间：减少每个进程的等待时间

其实这些指标是有矛盾的，比如很难同时满足 最小响应时间 和 最大吞吐量，要么只顾及某一点，要么对两点进行折中。

• 低延迟调度增加了交互式表现

  ➢ 如果移动了鼠标，但是屏幕中的光标却没动，我们可能会重启电脑

• 操作系统需要保证低吞吐量不受影响

  ➢ 我想要结束长时间的编程，所以操作系统必须不时进行调度，即使存在许多交互任务

• 吞吐量是操作系统的计算带宽

• 响应时间是操作系统的计算延迟

公平的目标

• 举例

  ➢ 保证每个进程占用相同的CPU时间

  ➢ 这公平吗？如果一个用户比其他用户运行更多的进程怎么办

• 举例

  ➢ 保证每个进程都等待相同的时间

• 公平通常会增加平均响应时间

调度算法

先来先服务算法（FCFS）

FCFS：First Come，First Served

• 依据进程进入就绪状态的先后顺序排列

  ➢ 如果进程进入阻塞或结束状态时，就绪队列中的下一个进程会得到CPU

优点

• 简单

缺点

• 平均等待时间波动较大

• 花费时间少的任务可能排在花费时间长的任务后面

• 可能导致I/O和CPU之间的重叠处理

  ➢ CPU密集型进程会导致I/O设备闲置时，I/O密集型进程也在等待

短进程优先算法（SPN(SJF) / SRT）

SPN：Shortest Process Next（短进程优先算法）
SJF：Shortest Job First（短作业优先算法）
SRT：Shortest Remaining Time（短剩余时间优先算法）

• 选择下一个最短的进程（短任务优先）

  ➢ 按照预测的完成时间来将任务入队

• 可以是抢占的或者是不可抢占的

  ➢ 可抢占：又叫 Shortest-Remaining-Time (SRT) （最短剩余时间）

短进程优先算法具有最优平均周转时间。

• 可能导致饥饿

  ➢ 连续的短任务流会使场任务饥饿

  ➢ 短任务可用时的任何场任务的CPU时间都会增加平均等待时间

• 需要预测未来

  ➢ 怎么预估下一个CPU突发的持续时间

  ➢ 简单的解决：询问用户

  ➢ 如果用户欺骗就杀死进程

  ➢ 如果不知道怎么办

短进程优先算法的执行时间预估

预估执行时间

最高响应比优先算法（HRRN）

HRRN：Highest Response Ratio Next

• 选择就绪队列中响应比R值最高的进程

  

• 在短进程优先算法的基础上改进

• 不可抢占

• 关注进程的等待时间

• 防止无限期推迟

轮循算法（RR）

时间片轮转算法（Round Robin，RR）

• 时间片

  ➢ 分配处理机资源的基本时间单元

• 时间片结束时，按FCFS算法切换到下一个就绪进程

• 每隔 $(n–1)$ 个时间片进程执行一个时间片 $q$

设置时间片为 $20$，每个进程轮流的占用时间片：

• RR 花销：额外的上下文切换（保证每个进程都有机会执行）

• 时间量子太大

  ➢ 等待时间过长

  ➢ 极限情况退化成FCFS

• 时间量子太小

  ➢ 反应迅速，但产生大量上下文切换

  ➢ 吞吐量由于大量的上下文切换开销受到影响

• 目标

  ➢ 选择一个合适的时间量子

  ➢ 经验规则：维持上下文切换开销处于1%以内

看起来好像FCFS更好一点，因为在FCFS中没有频繁的上下文切换，所以它总等待时间反而还会降低，但是我们还要权衡，因为在FCFS中它达不到像RR一样每一个进程及时得到相应。

公平性会带来一定的代价。

多级反馈队列算法（MFQ）

MFQ：Multilevel Feedback Queues

多级队列调度算法（MQ）

• 就绪队列被划分成独立的队列

  ➢ 如：前台（交互），后台（批处理）

• 每个队列拥有自己的调度策略

  ➢ 如：前台 — RR，后台 — FCFS

• 调度必须在队列间进行

  ➢ 固定优先级

  ​ √ 先处理前台，然后处理后台

  ​ √ 可能导致饥饿

  ➢ 时间切片（时间片轮转）

  ​ √ 每个队列都得到一个确定的能够调度其进程的CPU总时间

  ​ √ 如：80%给使用RR的前台，20%给使用FCFS的后台

在多级队列中，各个队列之间是没有交互的，进一步改进，进程可在不同队列间移动的多级队列算法：

• 多级反馈队列算法（MFQ）

  ➢ 可以根据情况（反馈）调整进程的优先级、队列。

优先级越高的队列中它的时间片就越短。

优点

• CPU密集型任务的优先级下降很快
• I/O密集型任务停留在高优先级

公平共享调度算法（FSS）

FSS：Fair Share Scheduling

• FSS控制用户对系统资源的访问

  ➢ 一些用户组比其他用户组更重要

  ➢ 保证不重要的组无法垄断资源

  ➢ 未使用的资源按照每个组所分配的资源的比例来分配

  ➢ 没有达到资源使用率目标的组获得更高的优先级

评价方式

调度算法总结

• 先来先服务算法（FCFS）

  ➢ 不公平，平均等待时间较差

• 短进程优先算法（SPN(SJF) / SRT）

  ➢ 不公平，但是平均等待时间最小

  ➢ 需要精确预测计算时间

  ➢ 可能导致饥饿

• 最高响应比优先算法（HRRN）

  ➢ 基于SPN调度改进

  ➢ 不可抢占

• 轮循算法（RR）

  ➢ 公平，但是平均等待时间较差

• 多级反馈队列算法（MFQ）

  ➢ 和SPN类似，多种算法的集成

• 公平共享调度算法（FSS）

  ➢ 公平是第一要素

实时调度

实时系统

• 定义

  ➢ 正确性依赖于其时间和功能两方面的一个操作系统

• 性能指标

  ➢ 时间约束的及时性（deadlines）

  ➢ 速度和平均性能相对不重要

• 主要特征

  ➢ 时间约束的可预测性

分类

• 强实时系统

  ➢ 需要在保证时间内完成重要的任务，必须完成

• 弱实时系统

  ➢ 要求重要的进程的优先级更高，尽量完成，并非必须

实时任务

周期实时任务

硬时限和软时限

• 硬时限（Hard deadline）

  ➢ 如果错过了最后期限，可能会发生灾难性或非常严重的后果

  ➢ 必须验证：在最坏的情况下也能够满足时限吗？

  ➢ 保证确定性

• 软时限（Soft deadline）

  ➢ 理想情况下，时限应该被最大满足。如果有时限没有被满足，那么就相应地降低要求

  ➢ 尽最大努力去保证

可调度性

单调速率（RM）

速率单调调度算法（RM，Rate Monotonic）

• 最佳静态优先级调度
• 通过周期安排优先级
• 周期越短优先级越高
• 执行周期最短的任务

截止日期最早优先（EDF）

最早期限调度 (EDF，Earliest Deadline First)

• 最佳动态优先级调度
• Deadline越早优先级越高
• 执行Deadline最早的任务

多处理器调度

• 多处理器的CPU调度更复杂

  ➢ 多个相同的单处理器组成一个多处理器

  ➢ 优点：复杂共享

• 对称多处理器（SMP）

  ➢ 每个处理器运行自己的调度程序

  ➢ 需要在调度程序中同步

优先级反转

优先级继承（Priority Inheritance）

优先级天花板协议（priority ceiling protocol）

整理自 【清华大学】 操作系统