《408操作系统 》复习笔记 ③ 第二章 调度与调度算法

调度

当有一堆任务要处理，由于资源有限，没办法同时处理。需要 某种规则 来决定处理这些任务的顺序

作业

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）

调度的三个层次

高级调度（作业调度）

按照某种策略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（建立PCB），调出一次（撤销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出一个进程，将处理机分配给它

OS中最基本的一种调度，调度频率很高，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。

调到外存等待的进程状态 挂起状态。被挂起的进程PCB会被组织成挂起队列

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

一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此 中级调度发生频率要比高级调度高

挂起状态

五状态模型 => 七状态模型

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态，挂起态又可分为就绪挂起、阻塞挂起

XM-处理机调度

临界资源、临界区

临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥地访问临界资源

临界区：访问临界资源的那段代码

进程调度的时机

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。在运行过程中即便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

实现简单，系统开销小，但是无法及时处理紧急任务，适合于早期批处理系统

剥夺调度方式（抢占式）

有更紧迫的任务到达，立即暂停正在执行的进程，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时间片轮流执行的功能（时钟中断），适用于分时操作系统、实时操作系统

进程的切换与过程

狭义的进程调度 就是从就绪队列中选一个要运行的进程。（这个进程可能是刚刚被暂停执行的进程，也可能是另一个进程，后一种情况需要进程切换）

进程切换 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。

进程切换的过程完成了：

• 对原来运行进程各种数据的保存（保存在PCB）
• 对新的进程各种数据的恢复
  • PCB中的程序计数器，程序状态字，各种寄存器数据等处理机现场信息

进程切换室友代价的，过于频繁进行进程调度和切换，会使整个系统的效率降低，将大部分时间用于进程切换而不是执行进程。

XM-进程调度

调度器（调度程序）

不支持内核级线程的操作系统，调度程序的处理对象是进程

支持内核级线程的OS，调度程序处理对象是内核线程

闲逛进程

没有其他就绪进程时，运行闲逛线程，其特性

• 优先级最低
• 可以是0地址指令（不需要访存，能耗低），占一个完整的指令周期（指令周期末尾例行检查中断）

调度算法评价指标

CPU利用率：CPU忙碌的时间占总时间的比例

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量

周转时间： 从作业被提交给系统开始，到作业完成为止这段时间间隔

• 包括四个部分，作业在外存后备队列上等待高级调度的时间、进程在就绪队列上等待低级调度的时间、进程在CPU上执行的世界，进程等待IO完成的时间，后三项可能在一个作业处理过程中发生多次。
• 周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间 （用户关心的）
• 平均周转时间 = 各作业完成时间之和 / 作业数 （操作系统关心的）
• 带权周转时间 = 作业周转时间 / 作业实际运行的时间（必然大于等于1）
  • 带权周转时间越小用户满意度越高
• 平均带权周转时间 = 各带权周转时间之和 / 作业数

等待时间：进程/作业处于等待处理机状态时间之和

• 对于进程，等待时间是进程建立后等待被服务的时间之和，等待I/O完成的期间进程也是在被服务的，不计入等待时间
• 对于作业，要考虑建立进程后等待的时间，还要加上作业在外存后备队列等待的时间

一个作业总共需要被CPU服务多久，被I/O设备服务多久一般是确定不变的，因此调度算法只会影响作业/进程的等待时间。

响应时间：用户提交请求到首次产生响应所用的时间

XM-调度算法评价指标

调度算法-①

先来先服务 FCFS

• 算法规则：按照作业/进程到达的先后顺序进行服务
• 用于作业/进程调度：哪个作业先到达后备队列；哪个进程先到达就绪队列
• 非抢占式
• 公平、算法简单
• 排在长作业（进程）后面的短作业需要等待很长时间，带权周转时间大，对短作业来说用户体验不好。 对长作业有利，对短作业不利
• 不会导致饥饿（某进程/作业长期得不到服务）

短作业优先 SJF

• 思想：追求最少的平均等待时间，平均周转时间，平均带权周转时间
• 算法规则：最短（服务时间最短）的作业/进程优先得到服务
• 用于作业/进程调度。用于进程调度时称为短进程优先 SPF 算法
• SJF SPF非抢占式。也有抢占式 最短剩余时间优先算法 SRTN
• "最短的"平均等待时间、平均周转时间
• 对短作业有利，对长作业不利，可能产生饥饿现象。另外运行时间是由用户提供的，并不一定真实，不一定做到真正的短作业优先
• 源源不断地有短作业/进程到来，可能使长作业得不到服务，最终饿死

高响应比优先算法 HRRN

• 思想：综合考虑作业/进程的等待时间和要求服务时间
• 算法规则：每次调度时先计算各个作业/进程的 响应比，选择响应比最高的为其服务
  • 响应比 = (等待时间+要求服务时间) / 要求服务时间
• 用于作业/进程调度
• 非抢占式
• 综合考虑了等待时间和要求服务时间
  • 等待时间相同时，要求服务时间短的优先（SJF）
  • 要求服务时间相同时，等待时间短的优先（FCFS）
• 对长作业来说，随着等待时间越来越久，响应比会越来越大，避免了长作业饥饿的问题

调度算法-②

时间片轮转 RR（分时操作系统）

• 思想：公平、轮流为各个进程服务，让每个进程在一定时间间隔内都可以得到响应。更关心进程的响应时间。
• 算法规则：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。若进程没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排队
• 用于进程调度（只有作业放入内存建立了相应的进程后，才能分配处理机时间片）
• 抢占式。由时钟装置发出 时钟中断 来通知CPU时间片已到
• 公平；响应快，适用于分时操作系统
• 由于高频率进程切换，因此有一定开销；不区分任务的紧急程度
• 不会导致饥饿

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FCFS调度算法，并且会增大进程响应时间。因此时间片不能太大

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，导致实际用于进程执行的时间比例减少

• 一般来说，设计时间片要让切换进程的开销占比不超过1%（了解）

优先级调度

• 思想：越来越多的场景需要根据任务的紧急程度来决定处理程序
• 算法规则：调度时选择优先级最高的作业/进程
• 用于作业/进程调度。甚至可以用于I/O调度中
• 抢占式（进程主动放弃处理机）、非抢占式（就绪队列改变时+主动放弃处理机）
• 用优先级区分各种任务的紧急程度、重要程度，适用于实时操作系统。可灵活调整对各种作业/进程的偏好程度。
• 若一直有高优先级进程进程到来，可能导致 饥饿

• 就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织。可以把优先级更高的进程排在更靠近队头的位置
• 优先级可分为静态优先级和动态优先级
  • 静态优先级：创建进程后一直不变
  • 动态优先级：创建进程有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级
• 如何合理设置进程优先级
  • 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（I/O繁忙型进程）
    • I/O设备和CPU可以并行工作，I/O型进程优先运行的话，则越有可能让I/O设备尽早投入工作，则资源利用率、系统吞吐量都会得到提升
• 与 I/O 繁忙型进程相对的是 计算型进程 （CPU繁忙型进程）
• 如果采用动态优先级，什么时候应该进行调整
  • 从追求公平、提升资源利用率等角度考虑：某进程在就绪队列中等了很长时间提升优先级，某进程占用处理机运行了很长时间降低优先级，某进程频繁进行I/O操作提升其优先级

多级反馈队列

• 思想：对其他算法的折中权衡
• 算法规则：
  • 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
  • 新进程到达先进入第1级队列，按FCFS原则排队等待被分配时间片。若时间片用完进程还没结束，进入下一级队列队尾。如果此时已经在最下级队列，则重新放回最下级队列队尾
  • 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
  • 被抢占处理机的进程重新放回原队列队尾
• 用于进程调度
• 抢占式
• 对各类进程相对公平 FCFS；每个新到达的进程都可以很快得到响应 RR；短进程只用较少时间完成 SPF；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（将I/O阻塞的进程重新放回原队列，保持较高优先级）
• 会导致饥饿

多级队列调度