03_进程管理_2
进程管理_2
调度的概念、层次
基本概念
当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题。
调度的三个层次
高级调度（作业调度）
作业：一个具体的任务。
用户向系统提交一个作业 + 用户让操作系统启动一个程序（来处理一个具体的任务）
内存空间有限，有时无法将用户提交的作业全部放入内存。
高级调度（作业调度）。按一定的原则从外存的作业后备队列中挑选一个作业调入内存，并创建进程。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立PCB,调出时才辙销PCB。
低级调度（进程调度/处理机调度）
按照某种策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给他。
进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。
进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。
中级调度（内存调度）
内存不够时，可将某些进程的数据调出外存。等内存空闲或者进程需要运行时再重新调入内存。
暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。被挂起的进程PCB会被组织成挂起队列
中级调度（内存调度）一一按照某种策略决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。
七状态模型
三层调度的联系，对比
进程调度的时机 切换与过程 方式
进程调度的时机
需要进行进程调度与切换的情况
- 当前运行的进程主动放弃处理机
- 进程正常终止
- 运行过程中发生异常而中止
- 进程主动请求阻塞（eg:I/O中断）
- 当前运行的进程被动放弃处理机
- 分给进程的时间片用完
- 有更紧急的事需要处理（eg:I/O中断）
- 有更高优先级的进程进入就绪队列
不能进行进程调度与切换的情况
- 在处理中断的过程中。中断处理过程复杂，与硬件密切相关，很难做到在中断处理过程中进行进程切换。
- 进程在操作系统内核程序临界区中。
- 在原子操作过程中。（原语）。原子操作不可中断，要一气呵成（如：修改PCB中进程状态标志，并把PCB放到相应队列）
进程调度的时机
进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换。😀这句话是正确的。
原因：内核程序临界区访问的临界资源如果不尽快释放的话，极有可能影响到操作系统内核的其他管理工作。因此在访问内核程序临界区期间不能进行调度与切换
临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥的访问临界资源
临界区：访问临界资源的那段代码。
内核程序临界区：一般是用来访问某种内核数据结构的，比如进程的就绪队列（由各就绪进程的PCB组成）
进程处于临界区时不能进行处理机调度。😣 这句话是错误的。
原因：举个例子，在打印机打印完成之前，进程一直处于临界区内，临界资源不会解锁。但打印机又是慢速设备，此时如果一直不允许进程调度的话就会导致CPU一直空闲。
进程调度的方式
非剥夺调度方式（非抢占式）
只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即使有更紧迫的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。
这种进程调度方式实现简单，系统开销小，但是无法及时处理紧急任务，适合于早期的批处理系统。
剥夺调度方式（抢占方式）
当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机，则立即暂停正在执行的过程，将处理机分配给更重要紧迫的那个进程。
可以优先处理更紧急的进程，也可以实现让各进程按照时间片轮流执行的功能（通过时钟中断）。适合于分时操作系统、实时操作系统。
进程的切换与过程
“狭义的进程调度”与“进程切换”的区别：
狭义的进程调度指的是从就绪队列中选一个要运行的进程。（这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程，也可以是另一个进程，后一种情况就需要进程切换）
进程切换是指一个进程让出处理机，由另一个进程占用处理机的过程。
广义的进程调度包含了选择一个进程和进程切换两个步骤。
进程切换的过程主要完成了：
对原来运行进程各种数据的保存
对新的进程各种数据的恢复(如：程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器
等处理桃现场信息，这些信息一般保存在进程控制块)
注意：进程切换是有代价的，因此如果过于频繁的进行进程调度、切换，必然会使整个系统的效率降低，使系统大部分时间都花在了进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少。
调度器和闲逛进程
调度器/调度程序
闲逛进程
调度算法的评价指标
CPU利用率
CPU”忙碌“的时间占总时间的比例。
考察多道程序并发执行会用到系统吞吐量。
系统吞吐量
单位时间内完成的作业的数量。
周转时间
对于计算机的用户来说，他很关心自己的作业从提交到完成花了多少时间。周转时间，是指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。它包括四个部分：作业在外存后备队列上等待作业调度（高级调度)的时间、进程在就绪队列上等待进程调度（低级调度)的时间、进程在CPU上执行的时间、进程等待/O操作完成的时间。后三项在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次。
周转时间：从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。
平均周转时间：
带权周转时间：
对于周转时间相同的两个作业，实际运行时间长的作业在相同时间内被服务的时间更多，带权周转时间更小，用户满意度更高。
对于实际运行时间相同的两个作业。周转时间短的带权周转时间更小，用户满意度更高。
平均带权周转时间：
等待时间
指进程/作业处于等待处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。
响应时间
从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。
小结一览图
调度算法1
学习思路和需要考虑的。
- 算法思想
- 算法规则
- 这种调度算法是用于作业调度还是进程调度
- 是抢占式还是非抢占式？
- 优点和缺点。
- 是否会导致饥饿？（某进程/作业长期得不到服务）
先来先服务（FCFS，First Come First Serve）
- 主要从”公平“的角度考虑。
- 按照作业/进程到达的先后顺序进行服务
- 用于作业调度时，考虑哪一个作业先到达后备队列；用于进程调度时，考虑的是哪个进程先到达就绪队列。
- 非抢占式
- 优点：公平，算法实现简单
缺点：排在长作业（进程）后面的短作业需要等待很长时间，带权周转时间很大，对于短作业来说用户体验不好。即对长作业有利，对短作业不利
- 不会饥饿
短作业优先(SJF，Shortest Job First)
- 追求最少的平均等待时间，最少的平均周转时间、最少的平均带权周转时间。
- 最短的进程最先得到服务
- 两者都可用。用于进程调度时被称为”短进程优先算法“SPF
- SJF和SPF是非抢占式的算法。但是也有抢占式的版本最短剩余时间优先算法。
- 优点：“最短的”平均等待时间、平均周转时间 缺点：不公平。对短作业有利，长作业不利。可能产生饥饿现象。另外，作业/进程的运行时间是由用户提供的，并不一定真实，不一定能做到真正的短作业优先。
- 会导致饥饿现象。如果源源不断的有短作业/进程到来，可能使长作业/进程长时间得不到服务，产生饥饿现象。如果一直得不到服务，则称为饿死。
抢占式短作业优先算法：
注意几个小细节：
如果题目未特别说明，所提到的“短作业/进程优先算法”默认是非抢占式的
很多书上都会说“SF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”
严格来说，这个表述是错误的，不严谨的。之前的例子表明，最短剩余时间
优先算法得到的平均等待时间、平均周转时间还要更少
应该加上一个条件“在所有进程同时可运行时，采用SF调度算法的平均等待时
间、平均周转时间最少”
或者说“在所有进程都几乎同时到达时，采用SF调度算法的平均等待时间、平
均周转时间最少”：
如果不加上述前提条件，则应该说“抢占式的短作业/进程优先调度算法（最
短剩余时间优先，SRNT算法)的平均等待时间、平均周转时间最少”
虽然严格来说，SF的平均等待时间、平均周转时间并不一定最少，但相比于
其他算法（如FCFS),SJF依然可以获得较少的平均等待时间、平均周转时间
如果选择题中遇到“S算法的平均等待时间、平均周转时间最少”的选项，那最
好判断其他选项是不是有很明显的错误，如果没有更合适的选项，那也应该
选择该选项。
高响应比优先(HRRN，Highest Response Ratio Next)
- 综合考虑作业/进程的等待时间和要求服务时间。
- 在每次调度时先计算各个作业/进程的响应比，选择响应比最高的作业/进程为其服务。
- 既可用于作业调度，也可用于进程调度。
- 非抢占式的算法。因此只有当前的作业/进程主动放弃处理机时，才需要调度，才需要计算响应比。
- 优点：综合考虑了等待时间和运行时间（要求服务时间）
等待时间相同时，要求服务时间短的优先(SJF的优点)
要求服务时间相同时，等待时间长的优先(FCFS的优点)
对于长作业来说，随着等待时间越来越久，其响应比也会越来越大，从而避免了长 作业饥饿的问题
- 不会导致饥饿。
总结
调度算法2
学习思路和需要考虑的。
- 算法思想
- 算法规则
- 这种调度算法是用于作业调度还是进程调度
- 是抢占式还是非抢占式？
- 优点和缺点。
- 是否会导致饥饿？（某进程/作业长期得不到服务）
时间片轮转算法
- 公平的、轮流的为各个进程服务，让每个进程在一定时间间隔内都可以得到相应。
- 按照各进程到达就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个时间片。若进程未在一个时间片内执行完，则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队。
- 用于进程调度。因为只有作业放入内存建立了相应的进程后，才能被分配处理机时间片。
- 若进程未能在时间片内运行完，将被强行剥夺处理机使用权，因此时间片轮转调度算法属于抢占式的算法。由时钟装置发出时钟中断来通知CPU时间片己到。
- 优点：公平，响应快，适用于分时操作系统。
缺点：由于高频率的进程切换，因此有一定开销；不区分任务的紧急程度。
- 不会导致饥饿
- 补充：时间片太大或者太小分别有什么影响？
时间片为2：
时间片为5：
如果时间片太大，使得每个进程都可以在一个时间片内就完成，则时间片轮转调度算法退化为先来先服务调度算法，并且会增大进程响应时间。因此时间片不能太大。
另一方面，进程调度、切换是有时间代价的（保存、恢复运行环境），因此如果时间片太小，会导致进程切换过于频繁，系统会花大量的时间来处理进程切换，从而导致实际用于进程执行的时间比例减少。可见时间片也不能太小。
一般来说，设计时间片时要让切换进程的开销占比不超过1%。
优先级调度算法
- 随着计算机的发展，特别是实时操作系统的出现，越来越多的应用场景需要根据任务的紧急程度来决定处理顺序。
- 每个作业/进程有各自的优先级，调度时选择优先级最高的作业/进程。
- 作业调度和进程调度都可用于，甚至还可用于之后学习的I/O调度中
- 抢占式和非抢占式都有。做题时的区别在于：非抢占式只需在进程主动放弃处理机时进行调度即可，而抢占式还需在就绪队列变化时，检查是否会发生抢占。
- 优点：用优先级区分紧急程度、重要程度，适用于实时操作系统。可灵活地调整对各种作业/进程的偏好程度。
缺点：若源源不断地有高优先级进程到来，则可能导致饥饿。 - 会导致饥饿现象。
补充：
-
就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织。另外，也可以把优先级高的进程排在更靠近队头的位置。
-
根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级两种。
-
静态优先级：创建进程时确定，之后一直不变。
动态优先级：创建时有一个进程，之后根据情况动态的调整优先级。
-
通常：系统进程优先级高于用户进程
前台进程优先级高于后台进程
操作系统更偏好I/O型进程（或称I/O繁忙型进程）
与I/O型进程相对的是计算型进程（或称CPU繁忙型进程）
I/O设备和CPU可以并行工作。如果优先让I/O繁忙型进程优先运行的话，则越有可能让I/O设备尽早地投入工作，则资源利用率、系统吞吐量都会得到提升。
如果采用的是动态优先级，什么时候应该调整？
可以从追求公平、提升资源利用率等角度考虑。
如果某进程在就绪队列中等待了很长时间，则可以适当提升其优先级
如果进程占用处理机运行了很长时间，则可适当降低其优先级。
非抢占式：
抢占式优先级调度算法：
多级反馈队列调度算法
- 对其他调度算法的折中权衡。
-
- 设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大
- 新进程到达时先进入第1级队列，按FCFS原则排队等待被分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾。如果此时己经是在最下级的队列，则重新放回该队列队尾。
- 只有第k级队列为空时，才会为k+1级队头的进程分配时间片
- 用于进程调度
- 抢占式的算法。在k级队列的进程运行过程中，若更上级的队列中（1~k-1级）中进入了一个新进程，则由于新进程处于优先级更高的队列中，因此新进程会抢占处理机，原来运行的进程放回k级队列队尾。
- 优点：对各类型进程相对公平(FCFS的优点)；每个新到达的进程都可以很快就得到响应(RR的优点)；短进程只用较少的时间就可完成(SPF的优点)；不必实现估计进程的运行时间（避免用户作假）可灵活地调整对各类进程的偏好程度，比如CPU密集型进程、I/O密集型进程（拓展：可以将因I/O而阻塞的进程重新放回原队列，这样I/O型进程就可以保持较高优先级。）
- 可能会导致饥饿。（如果远远不断有短进程到来）
调度算法3
多级队列调度算法
本文来自彬彬zhidao的博客，作者：彬彬zhidao，转载请注明原文链接：https://www.cnblogs.com/binbinzhidao/p/17801310.html
