【操作系统】5、CPU调度策略

CPU调度的概念：

见之前写的“CPU管理的直观想法和多进程图像”

 

CPU调度的动机

面对诸多的场景，如何设计调度算法呢？首先，我们要明白我们的算法应该让什么更好呢？

面对客户：银行调度算法的设计目标应该是用户满意； 而面对进程：CPU调度的目标应该是进程满意。

那怎么才能让进程满意呢？那就是时间了。进程希望尽早地结束任务，这就是周转时间(从任务到达到任务结束)要短，而且希望用户的操作能够尽快地被响应，这就是响应时间(从操作发生到响应)要短。而且系统内耗时间要少，吞吐量(任务的完成量)要大，系统需要把更多的时间用在任务的执行上，而不能老是去做无关紧要的事情，例如：频繁切换任务，切换栈，分配资源等事情。

同时，系统还要去合理地调配任务。那么，CPU的调度策略如何做到合理呢？首先得明白系统中有以下的几种矛盾。

1.吞吐量和响应时间之间有矛盾响应时间小=>切换次数多=>系统内耗大=>吞吐量小由于需要较短的响应时间，那么就得频繁地切换任务，这样系统的很多时间都花在切换任务上面了，系统的内耗大了，吞吐量就小了。

2.前台任务和后台任务的关注点不同前台任务关注响应时间，后台任务关注周转时间。前台任务例如我们的word文档，我们打一个字，需要立马显示在文档中，这就是word文档这个任务关注的是响应时间；而后台任务中，例如我们的javac编译java代码，它的周转时间要小，即该任务从进入到结束所花的时间要小，即编译完成的时间要小。

3.IO约束型任务和CPU约束型任务各有各的特点IO约束型任务就是使用CPU的时间较少，进行IO操作的时间较长，CPU约束型的任务就是使用CPU的时间较长。因此，要做到合理，需要折中、综合考虑以上的几种矛盾。

 

基本的CPU调度策略：

1、先到先服务(FCFS)：

采用这种方案，先请求的进程先得到CPU，由于是非抢先调度，所以一个进程得到CPU后，会一直占用CPU到该进程结束。

• 优点：简单，理解容易
• 缺点：进程平均等待时间长，假设一组进程(P1, P2, P3)，所需时间(24, 3, 3), CPU执行长度按ms记，按照FCFS算法，执行顺序为(P1, P2, P3)则平均等待时间为 (0 + 24 + 27) / 3 = 17ms，如果执行顺序为(P2, P3, P1), 则平均等待时间为(0 + 3 + 6) / 3 = 3ms，这个减少是相当大的

2、最短作业优先(SJF)：

这个算法将每个进程与下次CPU执行的长度关联起来，当CPU变为空闲时，它会被赋给CPU执行时间最短的进程。

对于任意一组给定的进程，SJF算法的平均等待时间最小，因为总是可以通过把短进程移到长进程之前，来使平均等待时间减少。

• 优点：如果能够实现将是最优的。
• 缺点：这个算法有一个附加的问题，就是如何准确地知道每个进程所需要的时间，这是很困难的，所以SJF算法经常用于长期调度，将用户提交作业时指定的进程时限作为长度。

3、优先级调度(priority-scheduling)：

每个进程都有一个优先级，进程的执行顺序按照优先级，SJF算法也属于优先级调度，其优先级为CPU执行时间的倒数，优先级调度可以是抢占的或非抢占的。
该算法的一个问题是可能导致无限阻塞或饥饿，一个解决的办法称为老化，每隔一段时间就将所有处于等待状态的进程的优先级提高一级，这样可以证明，在不超过一个常数的时间内，所有进程都会执行。

 

4、轮转(RR)：该算法是专门为分时系统设计的，类将一个较小的时间单元定义为时间片，通常为10ms~100ms，就绪队列为一个循环队列，为每一个进程分配不超过一个时间片的CPU，如进程(P1, P2, P3)对应的CPU为(24, 3, 3)，如果使用4ms的时间片，那每个时间片中执行的进程为(P1, P2, P3, P1, P1, P1, P1, P1)，等待时间6ms, 4ms, 7ms, 平均等待时间为 (6 + 4 + 7) / 3 = 5.6667ms。

说到这里，SJF是关注系统的平均周转时间，而RR算法是关注系统的响应时间，但是如果一个系统需要响应时间小和周转时间小同时存在，那该怎么办？

比如word很关心响应时间，而javac编译java程序更关心周转时间，两类任务同时存在该怎么办？

即前台的任务更关心响应时间，因为前台任务是与用户直接进行交互的，需要快速响应用户的请求，后台任务更关心周转时间，需要快速的结束任务的。

一个很直观的想法，定义前台任务和后台任务两条队列，前台使用RR算法，后台使用SJF算法，只有前台任务没有时才调度后台任务。

但是这样又会产生问题，如果一直有前台任务怎么办，那这样后台任务就永远得不到调度了。

在这里有一个有趣的小故事：1973年有位工作人员去关闭MIT的IBM7094计算机时，发现有一个进程在1967年提交但一直未运行。

这时候我们可以让后台的任务优先级动态升高，但后台任务(用SJF调度)一旦执行，那前台任务的响应时间又得变大了。

如果我们前后台任务都用时间片，那又退化为了RR算法。

所以，问题还有很多等着我们去发现去想办法解决。

如我们怎么知道哪些是前台任务那些是后台任务呢，前台任务难道就没有后台任务的工作？后台任务难道没有前台任务的工作？SJF中的短作业优先如何体现？如何判断作业的长度？

参考：

1、https://zhuanlan.zhihu.com/p/111813230

2、https://zhuanlan.zhihu.com/p/142812907

3、https://zhuanlan.zhihu.com/p/96837740