操作系统之CPU调度

CPU调度 用于多道程序

以下先讨论对于单CPU的调度问题。

回顾多道程序，同时把多个进程导入内存，使得一个进程在CPU中执行I/O时，一个进程用来填补CPU的时间。

通常进程都是在CPU区间和I/O区间之间转换。

CPU调度程序称为短期调度程序，从内存调度到CPU。

在内存中等待的就绪队列的节点是PCB。有许多不同的队列实现方法。

抢占调度和非抢占调度(协作)：前者为一个进程还没结束之前就被夺取CPU的拥有权，而后者则要一个进程结束或等待I/O才给予其他进程CPU的拥有权。

虽然现代操作系统都是用抢占调度，但是对于同时访问一个数据来说就会有风险，比如一个进程在试图更新一个数据，但是另一个进程抢占，并且读取这个数据，使得数据不一致。这时就要用到进程同步的内容。lock

对于中断随时可能发生的情况，我们可以在执行某个代码段时，禁止中断。

分派程序用来把CPU的拥有权交给短期调度程序选定的进程。每次切换进程时都要使用。

分派延迟：分派程序所花的时间。

CPU调度需要考虑的因素：

1.CPU使用率。

2.吞吐量：单位时间完成进程的数量。

3.周转时间：进程提交到进程完成。即从磁盘等待进入内存+就绪队列等待时间+CPU执行时间+I/O执行时间。但是CPU调度算法只是里面的一块。

4.等待时间：在就绪队列等待的时间之和。

5.响应时间：用于交互系统。

CPU调度算法： Gantt图考点求等待时间

此算法应用于内存就绪队列到CPU的过程。

1.FCFS 先到先服务

一旦选定进程，那么在结束之前就不能再切换到另一个进程。

2.SJF 最短优先 精确的讲是最短下一个CPU区间的算法

前面提到，一个进程是由CPU区间和I/O区间交替组成的。而SJF是看哪个进程的CPU区间最短。

（1）SRTF抢占式：又称最短剩余优先，当新进来的进程的CPU区间比当前执行的进程所剩的CPU区间短，则抢占。

（2）非抢占：称为下一个最短优先，因为在就绪队列中选择最短CPU区间的进程放在队头。

SJF用于长期调度而不能用短期调度，因为进程是一个整体，CPU没法知道进程中第一个CPU区间长度。

SJF需要确定下一个CPU区间的时间长度，可以通过近似估算出下一个CPU区间的长度，比如tn+1=atn+(1-a)rn tn为最近最近一次的CPU时间，rn为历史记录。a是给定的权重。

3.优先级调度算法 pintos的优先级是0-63 0为最低优先级，63为最高优先级

SJF是特殊的优先级调度算法，以CPU区间长度的倒数为优先级。

（1）内部优先级：通过内部数据比如内存要求等。

（2）外部优先级：用户自己设定。set_priority

分为抢占式和非抢占式，前者为如果进来的进程优先级高于运行的进程，则替换；后者只是在就绪队列中按优先级排队。

缺点：无线阻塞或饥饿。前者为一个优先级高且运行时间长的进程一直阻塞，后者为优先级低的进程永远都得不到执行。

解决饥饿的方法是老化。通过每个时间间隔后将等待的进程优先级降低。

4.转轮法 RR算法 抢占式

用于分时系统。每个进程都占用一个时间片的时间。就绪队列为FIFO循环队列。如果一个进程的CPU区间长度小于时间片，则继续下面的进程；如果大于时间片，则中断切换到下一个进程执行。

通常时间片长度为10ms-100ms，由此需要确定时间片大小使得上下文切换次数适当少。

5.多级队列调度

根据某种性质将一个就绪队列分成不同的独立队列，如系统进程，交互进程（前台进程），交互编辑进程，批处理进程，学生进程。

每个队列都有不同的调度算法。

每个队列都有优先级，比如前台队列就比后台队列要有绝对的优先级，因此队列间的分配方法：

（1）只有优先级高的队列为空，才能执行低优先级队列。

（2）为队列分配不同权重的CPU时间，优先级高的分配时间多。

6.多级反馈队列 抢占式

动态调整进程，进程在不同队列之间移动，虽然在队列间移动需要耗费资源，但是更合理。

按照CPU区间的大小分队列。

进程之间的划分是按照所花CPU时间划分，比如队列0是就绪队列，且规定一个时间上界，如果一个进程没能规定时间完成，则被放入队列1中。CPU区间越大的进程就被放入低优先级中。每个进程一开始都进入就绪队列。

多级反馈队列的参数：

1.队列的数量。

2.每个队列的调度算法。

3.怎样升级到优先级更高的队列。

4.确定怎样降级到优先级更低的队列。

5.进程需要确定进入哪个队列。

接下来讲多个CPU的负载均衡问题。

假设多个CPU是同构的，但是可能也会有特殊的限制比如只有某个CPU与I/O设备连接。

（1）非对称多处理：一个处理器专门用于CPU调度决定等，其他用于执行用户代码。

（2）对称多处理（SMP）：为每个处理器自我调度，可能会造成多个处理器同时访问同一个数据结构则会造成冲突。

处理器亲和性：一个进程只需要在一个处理器上执行即可，不会转到另一个处理器上执行，因为如果转移的话，处理器缓存的资源全部无效，浪费。缓存存储的是进程的连续访问的数据。

软亲和性：占时的不会转移。

硬亲和性：操作系统不允许进程在多处理器间游走。

负载平衡条件：每个处理器都有私有的就绪队列。

负载平衡方法：push和pull。即从负载高的处理器push到低负载的处理器上，从负载低的处理器pull到负载高的处理器，但是这样就缺失了处理器亲和性。

一个物理处理器可以划分为逻辑处理器，SMT（对称多线程）使得在一个物理处理器上同时运行多个线程。

逻辑处理器对于物理处理器就像线程对进程。多个逻辑处理器共享物理处理器的资源，如缓存和总线。

举个例子，就像分区一样，硬盘分为C盘，D盘等，但事实上不是真的分硬盘。更理论的讲,像数据库的逻辑和物理关系。

系统调度的是内核线程，用户线程由线程库管理。如果线程要在CPU上运行，需要与某个内核线程相连。

用户线程需要连接到LWP（进程竞争范围PCS）。

内核线程连接到物理CPU（系统竞争范围SCS）。

linux采用抢占、优先级的调度算法，较高优先级的进程被分配较多的CPU时间片。每个处理器都维护一个运行队列。运行队列分为活动和到期的，前者是进程所耗时间小于时间片的，后者是所花时间大于时间片的任务。

当活动队列为空，则互换两队列。

调度算法的评估：

1.分析评估法。事先确定负荷和算法，即一些本来可以自己设定的数据，比如确定特定算法FCFS，确定进程到来的时间和数量；根据不同的模型来比较性能。缺点是只适用于特定的情况。

2.排队模型。数学公式以分析CPU和I/O的区间分布，给定进程到达系统的时间分布，排队网络分析。LITTLE公式：进入队列的进程和离开队列的进程要相等。

3.模拟。建模计算机系统，模拟程序，根据概率分布随机生成数据，不能对于前后事件进行预测。但是通过跟踪磁带来记录真实系统的运作，再来按照这种顺序来模拟即可。

4.实现。编程后放入操作系统，观测。