操作系统学习笔记（五）－－CPU调度

由于第四章线程的介绍没有上传视频，故之后看书来补。

最近开始学习操作系统原理这门课程，特将学习笔记整理成技术博客的形式发表，希望能给大家的操作系统学习带来帮助。同时盼望大家能对文章评论，大家一起多多交流，共同进步！

本篇文章大致内容为：

• 基本概念(Basic Concept)
• 调度准则(Scheduling Criteria)
• 调度算法(Scheduling Algorithm)
• 实时调度(Real-Time Scheduling)
• 算法评价(Algorithm Evaluation)

基本概念(Basic Concept)

通过多道程序设计可以尽可能高的提高CPU利用率，但道数不可能无限增加。

同时：　宏观－程序进入内存，被操作系统调度； 微观－进程正在CPU上运行(Running)

调度：切换的过程中，切换越多，系统消耗越多，故道数不可能无限增加（另外还有内存方面的考虑）

CPU－I/O Burst Cycle 　　CPU-I/O执行期

• 进程执行包括一系列的CPU执行期和输入输出等待期

CPU执行期分布：为指数型或多阶指数型

CPU型程序：大部分时间用在CPU上的程序

I/O型程序：大部分时间用在I/O上的程序

CPU调度（进程调度，低级调度，短程调度）　　CPU Scheduler

选择内存上的处于就绪状态的进程，并分配CPU给它们使用（依照算法）。

什么时候进行CPU调度？或CPU调度的时机：

1. Switches from running to waiting state
2. Switches from running to ready state
3. Switches from waiting to ready state:就绪队列来了新进程。
4. Switched from waiting to ready state

注：1和4为非剥夺式／非抢占式(nonpreemptive)的，2和3为剥夺式／抢占式(preemptive)的。

调度程序(Dispatcher)

调度程序将CPU的控制权交给就绪队列中选中的进程，包括：

• switching context　　上下文切换（中断现场的保存与恢复）
• switching to user mode　　切换到用户态（PSW最高位），用户态：非特权指令；系统态：非特权指令＋特权指令
• jumping to the proper location in the user program to restart that program　　跳转到程序上一次中断前执行的语句的上一行

调度延时(Dispatch latency)

换下一个进程并换上另一个新进程所需的时间，也叫系统消耗(overload)

调度准则(Scheduling Criteria)

• CPU利用率(CPU utilization)
• 吞吐量(Throughout)：单位时间内执行作业的数量。
• 周转时间(Turnaround time)：提交完毕->执行结束所需时间。
• 等待时间(Waiting time)：在就绪队列内等待的时间，多次等待时间做和。
• 响应时间(Response time)：提交完成->首次给出相应所需时间。

周转时间的组成：后备等待＋就绪队列等待时间之和＋运行时间之和＋阻塞队列等待时间之和

优化准则(Optimization Criteria)：对于相同作业而言，

• Max CPU utilization　　CPU利用率最大化
• Max Throughput　　单位时间最大吞吐量
• Min turnaround time　　最小化周转时间
• Min waiting time　　最小化等待时间
• Min response time　　最小化响应时间

调度算法(Scheduling Algorithms)

1. First-Come,First-Served(FCFS)：先来先服务的调度原则
2. Shortest-Job-First(SJF) Scheduling：短作业优先调度原则
3. Priority Scheduling：优先级调度原则
4. Round-Robin Scheduling：时间块调度原则
5. Multilevel Queue Scheduling：多级队列调度原则
6. Multilevel Feedback Queue：多级反馈队列调度原则

FCFS Scheduling

Gantt Chart：甘特图

SJF Scheduling：选择下一次CPU执行期最短的进程执行，分为两种，nonpreemptive 非抢占式的 和 preemptive 抢占式的。

抢占式－Shortest-Remainging-Time-First(SRTF)　　最短剩余时间优先

SJF可以获得最小的平均等待时间。

Example of Non-Preemptive SJF:

Example of Preeptive SJF:

 

确定下一次CPU执行期的长短(Determining Length of Next CPU Burst)

只能估计时间，可以使用指数平均法：

两种极端：

 通常情况：

优先级调度(Priority Scheduling)

• 每一个进程都有一个优先级
• CPU调度给优先级最高的进程
• 优先级调度可以分为
  • 可抢占式的(Preemptive)
  • 不可抢占式的(Nonpreemptive)

SJF也是一类优先级算法。

存在问题：Infinite blocking(Starvation) 饥饿：优先级低的进程会被无限推迟。

解决方法：Aging（熬），可变优先级，动态优先级

时间片轮转(Round Robin, RR)

time slice - 时间片

• 每个进程都会得到一个CPU时间段（通常10～100milliseconds）
• 时间片到后，进程被抢占并被放入就绪队列的末尾
• 若有n个进程且时间片长度为q，则每个进程都会获1/n的CPU时间，并且每次执行不超过q，则没有进程会等待超过(n-1)q个时间片

性能：若q比较大，则等待时间长；若q比较小，则每个进程等待时间短，但上下文切换所需的系统消耗会变大，q必须大于上下文切换的中断时间否则系统不能正常运行。

多级队列排队 Multilevel Queue

就绪队列被分成两个队列，前台队列用于交互式进程，使用RR调度，后台队列用于批处理进程，使用fcfs调度，后台队列保证前台有比较快的响应。

多级反馈队列 Multilevel Feedback Queue

1. 有多个队列，每个队列有不同的优先级
2. 所有新进程都入最高优先级队列
3. 按照Round Robin情况调度最高优先级队列一次，若进程完成则释放内存结束进程，否则将该进程降入次高级进程
4. 当最高优先级队列为空时，用RR调度次高优先级队列
5. 当调度优先级为最高级的队列内加入新进程时，若系统为抢占式调度，则当前进程进入中断，并回到当前队列的队尾。

多级反馈队列为一种综合性调度：多级+RR+优先级+SJF+FCFS

算法评价 Algorithm Evaluation

• 确定模型 Determining modeling
• 队列模型 Queueing modeling
• 使用仿真的方式评价（最常用）：在公共的平台基于同样的一组公共数据对算法进行评价。