[操作系统] 调度

调度

• 调度
  • 何时使用调度
  • 调度的分类
  • 调度要实现的目标
  • 批处理系统中的调度
  • 交互式系统中的调度
  • 实时系统中的调度
  • 策略和机制
  • 线程调度

1. 何时使用调度？

1. 在创建一个新进程后，需要决定是运行父进程还是运行子进程。
2. 在一个进程退出时必须做出调度决策，以选择另外某个进程。
3. 当一个进程阻塞在I/O和信号量上或由于其他原因阻塞时，必须选择另一个进程运行。
4. 在一个I/O中断发生时，必须做出调度决策。如果中断来自I/O设备，而该设备现在完成了工作，某些被阻塞的等待该I/O的进程就成为可运行的就绪进程了，是否让新就绪的进程运行，这取决于调度程序的决定，或者让中断发生时运行的进程继续运行，或者应该让某个其他进程运行。

2. 调度的分类

1. 批处理：适用于用户不会在终端旁等待一个短请求的快捷响应（如商业领域，计算薪水，存货等）
2. 交互式：避免一个进程霸占CPU拒绝为其他进程服务（如服务器），对于这类调度，抢占是必要的
3. 实时：抢占有时是不需要的，因为进程了解它们可能会长时间得不到运行，所以通常很快地完成各自的工作并阻塞。与交互系统的差别是，实时系统只运行那些用来推进现有应用的程序，而交互式系统是通用的，它可以运行任意的非协作甚至是有恶意的程序

3. 调度要实现的目标

1. 所有系统
   • 公平：相似的进程应得到相似的服务。不应该给予一个进程较其他等价进程更多的CPU时间。
   • 策略强制执行：看到所宣布的策略执行。例如，如果策略为只要需要就必须运行安全控制进程，那么即便这意味着要将其他进程推迟30秒，也要保证能够强制执行该策略
   • 忙碌：保持CPU和I/O设备始终能够运行。例如对进程进行组合，CPU密集型和I/O密集型，交替运行。
   • CPU密集型(计算密集型)：进程花费了绝大多数时间在计算上
   • I/O密集型：进程在等待I/O上花费了大量时间。
2. 批处理系统
   • 吞吐量：每小时最大作业数。
   • 周转时间：从提交作业到作业终止的平均时间(即期望得到输出与实际得到输出的平均等待时间)。
   • CPU利用率：保持CPU始终忙碌。
3. 交互式系统
   • 响应时间：希望快速响应请求，即有最小的发出命令到得到响应的时间。例如，请求打开文件应该优于后台处理电子邮件的进程。
   • 均衡性：满足用户的期望。
4. 实时系统
   • 满足截止时间：避免丢失数据。
   • 可预测性：在多媒体系统中避免品质降低。

4. 批处理系统中的调度

1. 先来先服务(First Come First Service)

   用队列来维护所有进程，当一个进程请求CPU时就被放在队列尾部，CPU处理完当前任务就取出队列头的任务处理。该方式为非抢占式的，即当前任务处理完或者阻塞时，才会轮到下一个任务。如果一个任务被阻塞，它会被重新放到队尾，就像一个新作业一样。如果两个任务同时请求CPU，那哪个任务先被放到队尾是不确定的。

   优点：

   • 易于理解，实现简单
   缺点：

   • 假设有一个一次运行1秒钟的计算密集型进程和很少使用CPU但是每个都要进行1000次磁盘读操作的I/O密集型进程。计算密集进程运行1秒钟，然后读一个磁盘块。所有的I/O进程开始运行并读磁盘。当该计算密集进程获得其磁盘块时，它运行下一个1秒钟，紧跟随着的是所有I/O进程。

     这样做的结果是，每个I/O进程在每秒钟内读到一个磁盘块，要花费1000秒钟。

2. 最短作业优先(Shortest Job First)

   在同等重要的作业中，选择需要运行时间最短的作业。该方法只适用于运行时间可以预知的情况。在所有作业重要程度相等且可以同时运行的情况下，最短作业优先算法有最小的平均周转时间。

3. 最短剩余时间优先(Shortest Remaining Time First)

   最短作业优先方法的抢占式版本。同样该方法也只适用于运行时间已知的情况。这种方法可以使新的端作业获得良好的服务。

5. 交互式系统中的调度

1. 轮转调度(Round Robin)

   每个进程被分配一个时间段，称为时间片，即允许该进程在该时间段中运行。如果在时间片结束时该进程还在运行，则将剥夺CPU并分配给另一个进程。如果该进程在时间片结束前阻塞或结束，则CPU立即进行切换。所以，轮转调度是抢占式的。例如，时间片时间为2ms，进程A需要3ms才能完成，进程B只需要1ms完成。A先请求CPU，CPU先运行进程A，运行2ms，尽管A并为完成，但是时间片已经到达了，CPU转而运行进程B。只运行1ms，虽然时间片未到达但是B已经运行完毕，CPU就继续切换到A运行。

   在该方法中时间片的选择很重要，因为进程的上下文切换需要时间如果时间片太小，则会有很多上下文切换浪费性能。如果太大，那么在时间片完成前就会产生很多阻塞，也会延长短的交互请求的响应时间。

2. 优先级调度

   对轮转调度的改进，可以为每个进程设置优先级。允许优先级高的进程先运行，而为了防止高优先级进程无休止地运行下去，调度程序可以再每个时钟中断降低当前进程的优先级。可以按照优先级将进程分组（如按优先级1,2,3,4分为四组）每组有一个队列，当高优先级有可运行进程时，不会运行低优先级队列中的进程。如果不对优先级进行调整，低优先级队列有可能产生饥饿。

   

3. 多级队列

   对优先级调度进行改进，当一个进程运行完指定时间且未结束时，被自动下调一个优先级，并放入下一层优先级进程队列的结尾。同时，优先级最高的队列中的程序每次运行1个时间片，次高的每次运行两个时间片，然后是4，8，16…以此类推。这样，可以防止CPU密集型进程的频繁切换，以及长时间片进程影响响应时间。

   

   如图所示，假如进程A需要运行5ms，进程B需要运行2ms，C进程要运行1ms。如果A先开始运行，当它运行时，一开始A的优先级为0(即最高优先级)，此时A的时间片为2^0 为1ms。并且在此期间进程B也请求CPU，B的优先级期初也为0，被放置在优先级为0的队尾。

   当A运行1ms时，A被打断并下调优先级为1，被放入优先级为1的队列中。此时运行B，时间片也为1ms。并且C也请求CPU，并被放入优先级为0的队尾。当B运行1ms时和A一样，也被打断并放入优先级为1的队尾。此时优先级为0的队列中有C，而优先级为1的队列中有A，B。C的优先级比A，B都高。所以此时运行C，因为C 在1ms内可以运行完毕。并且没有更多新任务到达。所以当C运行完毕后优先级为0的队列就被清空。没有任务的优先级高于A。

   此时转而运行A，A这时的时间片应为2^1为2ms，A运行2ms，并未结束，被打断并放入优先级为2的队列。此时B的优先级为1，A的优先级为2，该运行B。B的时间片也为2ms，但是运行1ms时B就可以结束了。所以这时，检查队列0和1中没有任务，就可以运行队列2中的队头A，时间片为 2^2为4ms，A只运行2ms，完成任务。此时所有任务都可以完成了。

   缺点：

   • 该方法存在的问题为，如果一个任务需要长时间才能完成，会被放到比较低的优先级，而如果此时一直有新任务到来，那么这个长任务会饥饿，直到那些短任务都执行完，它才会执行。

4. 保证调度

   向用户作出明确的性能保证，然后实现。若用户工作时有n个用户登录，则用户将获得CPU处理能力的1/n。类似地，在一个有n个进程运行的单用户系统中，若所有进程都等价，则每个进程获得1/n的CPU时间。系统必须跟踪各个进程自创建以来已使用了多少CPU时间。然后它计算各个进程应获得的CPU时间，即自创建以来时间除以n，然后求出真正获得的CPU时间和应获得的CPU时间。然后运行比率最低的进程，直到它超过其他进程。

5. 彩票调度

   每个进程在一定时间内可以得到一张“彩票”（CPU时间），重要进程一次可以得到多个彩票。

   规则是：拥有彩票F份额的进程大约得到系统资源的F份额。还可以让进程交换他们的彩票。例如，客户机和服务机，客户机得到彩票，并且请求服务机，因为客户机需要的CPU时间很短，所以可以将彩票中剩下的时间交换给服务机。

6. 公平分享调度

   关注进程所有者，而不是进程本身。每个用户分配到CPU时间的一部分。缺点是每个用户想要执行的进程多少不一样，可能浪费性能。

7. 最高响应比优先

   通过W+CC这个公式求得每个任务最高响应比，结果最大的优先执行

   • W代表该任务已经等待的时间
   • C代表该任务想要完成需要的时间

6. 实时系统中的调度

实时系统是一种时间起着主导作用的系统。首先要理解截止时间，即必须在此时间之前作出应答。在实时系统中，迟到的应答可能比没有应答更为糟糕。

实时系统可以分为硬实时和软实时，前者的含义是必须满足绝对的截止时间，后者的含义是虽然不希望偶尔错失截止时间，但是可以容忍。

实时系统中的事件可以分类为周期性(以规则的时间间隔发生)事件或非周期性(发生时间不可预知)事件。一个系统可能要响应多个周期性事件流。根据每个时间需要处理时间长短，系统可能无法处理完每个事件。例如如果有m个周期事件，事件i以周期Pi发生，并需要Ci秒CPU处理一个时间，那么可以处理负载的条件是：

∑i=1mCiPi≤1

满足这个条件的实时系统称为可调度的。

7. 策略和机制

以上调度方法是基于所有进程分属不同用户，并且进程间相互竞争CPU的假设。但是如果一个进程有许多子进程，并在其控制下运行。例如，一个数据库管理系统可能有许多子进程，每一个子进程可能处理不同的请求，或每一个子进程实现不同的功能。主进程可以掌握哪一个子进程最重要，哪一个不重要。

为了做出最优选择，解决办法是将调度机制与调度策略分离，即将调度算法以某种形式参数化，而参数可以由用户进程填写。假设内核使用优先级调度算法，但提供一条可供进程设置优先级的系统调用。这样尽管父进程不参与调度，但可以控制子进程的调度。在这里调度机制位于内核，而调度策略由用户决定。

8. 线程调度

现成的调度取决于使用的是用户级线程还是内核级线程

1. 用户级线程：选取一个进程A，给予时间片。A中的线程调度决定哪个线程运行，假如为A1,。由于这里线程间不存在时钟中断，所以该线程可以一直运行。如果该线程用完了进程的全部时间片，内核选择另一个进程运行。当再一次运行进程A时，A1也会接着运行，直到其完成工作。（进程内部问题不会影响其他进程）

   

2. 内核级线程：内核选择一个特定的线程运行，不用考虑线程属于哪个进程。

   

用户级线程切换需要少量机器指令，而内核级需要完整的上下文切换，修改内存映像，使高速缓存失效。另一方面，内核级线程，一旦线程阻塞在I/O上不需要像在用户级线程中那样将整个进程挂起。从进程A的一个线程切换到进程B的一个线程，代价要远高于切换到切成A的另一个线程。所以内核在切换时，会倾向于后者。

用户级线程可以使用定制的线程调度程序。假如一个分派线程给两个工作线程分派任务，其中一个工作线程刚刚被阻塞，所以这时分派线程应该接着运行，并启动另一个未堵塞的工作线程。但在内核级线程中，内核不了解每个线程的作用。

当工作者线程从磁盘读取 Web 页时，它就会被阻塞。如果使用用户级线程，该动作将阻塞整个进程，而

破坏多线程的价值。这就是使用内核线程的原因：某些线程的阻塞不会影响到其他线程

参考书目：现代操作系统第三版，分布式系统原理与范型第二版