【操作系统】第四章处理机调度

第四章 处理机调度

第四章小结

处理机管理的工作是对CPU资源进行合理的分配使用，以提高处理机利用率，并使各用户公平地得到处理机资源。
要解决的问题
WHAT：按什么原则分配CPU —进程调度算法
WHEN：何时分配CPU —进程调度的时机
HOW： 如何分配CPU —CPU调度过程（进程的上下文切换）

4.1 分级调度

4.1.1 作业的状态及其转换

4.1.2 调度的层次

第1级：作业调度、宏观调度、高级调度
  对外存输入井上的大量作业进行选择，对选择的作业分配资源，建立相应进程
  作业执行完毕时，回收资源。
第2级：交换调度、中级调度
  将处于外存交换区中的就绪状态或等待状态的进程调入内存，
  或把处于内存就绪状态或内存等待状态的进程交换到外存交换区
第3级：进程调度、微观调度、低级调度
  选取一个处于就绪状态的进程占用处理机，之后，进行上下文切换以便建立与占用处理机进程相适应的执行环境。
第4级：线程调度
  选取一个处于就绪状态的线程进入执行状态。

  多道批处理系统存在作业调度和进程调度
  分时系统和实时系统一般只有进程调度、交换调度和线程调度

4.1.3 调度时间周期

4.1.5 作业与进程的关系

4.2 作业调度

4.2.1 作业调度的功能

  记录系统中各作业的状况
  从后备队列中选择一部分作业投入运行（涉及调度算法）
  为被选中的作业做好执行前的准备（建立进程、为进程们分配系统资源）
  作业执行结束时的后处理
  记录系统中各作业的状况
    系统为每个作业建立一个JCB记录作业信息，系统通过JCB感知作业的存在。
作业进入后备状态时，系统为其建立JCB；作业进入完成状态后，系统撤销其JCB。

4.2.2 作业调度中状态的转换

4.2.3 作业调度目标与性能衡量

目标
  公平性：对所有作业应该是公平的
  利用率：应使设备有高的利用率
  作业量：每天执行尽可能多的作业
  响应时间：有快的响应时间
  性能衡量：可从不同的角度来判断处理机调度算法的性能，如：用户的角度、处理机的角度、算法实现的角度
  实际的处理机调度算法选择是一个综合的判断结果

面向用户的调度性能准则

面向系统的调度性能准则
  吞吐量：单位时间内所完成的作业数，与作业本身特性和调度算法都有关系——批处理系统
  处理机利用率：——大中型主机,处理机昂贵
  各种设备的均衡利用：保持系统中各种资源处于忙碌状态。如CPU繁忙的作业和I/O繁忙（指次数多，每次时间短）的作业搭配——大中型主机

算法本身的调度性能准则
  易于执行；执行开销比

4.3 进程调度

4.3.1 进程调度的功能
4.3.2 进程上下文切换
4.3.3 进程调度的时机
4.3.4 进程调度性能评价

4.4 调度算法

4.4.1 先来先服务：简单的调度算法，按先后顺序进行调度

FCFS算法
  按照作业提交或进程变为就绪状态的先后次序，分派CPU
  当前作业或进程占用CPU，直到执行完或阻塞，才出让CPU（非抢占方式）
  在作业或进程唤醒后（如I/O完成），并不立即恢复执行，通常等到当前作业或进程出让CPU。最简单的算法
FCFS特点
  比较有利于长作业，而不利于短作业
  有利于CPU繁忙的作业，而不利于I/O繁忙的作业

4.4.2 短作业优先 (SJF, Shortest Job First)

又称为“短进程优先”SPN(Shortest Process Next)；这是对FCFS算法的改进，其目标是减少平均周转时间
SJF算法
  对预计执行时间短的作业（进程）优先分派处理机。通常后来的短作业不抢先正在执行的作业
SJF优点
  比FCFS改善平均周转时间和平均带权周转时间，缩短作业的等待时间
  提高系统的吞吐量
SJF缺点
  对长作业非常不利，可能长时间得不到执行
  未能考虑作业的紧迫程度
  难以准确估计作业（进程）的执行时间，从而影响调度性能
SJF变形
  最短剩余时间优先SRT(Shortest Remaining Time)：允许比当前进程剩余时间更短的进程来抢占
  最高响应比优先HRRN(Highest Response Ratio Next)：是FCFS和SJF的折衷。响应比R = (等待时间 + 要求执行时间) / 要求执行时间。

4.4.3 最高响应比优先（HRR）

4.4.4 时间片轮转算法 (Round Robin)

说明
  前两种算法主要用于宏观调度，说明怎样选择一个进程或作业开始运行，开始运行后的作法都相同，即运行到结束或阻塞，阻塞结束时等待当前进程放弃CPU
  本算法主要用于微观调度，说明怎样并发运行，即切换的方式；设计目标是提高资源利用率
  其基本思路是通过时间片轮转，提高进程并发性和响应时间特性，从而提高资源利用率

4.4.5 多级队列算法 (Multiple-level Queue)

4.4.6 优先级算法

是多级队列算法的改进，平衡各进程对响应时间的要求。适用于作业调度和进程调度，可分成抢先式和非抢先式
静态优先级
  定义：创建进程时就确定，直到进程终止前都不改变。通常是一个整数。
  依据
    进程类型（系统进程优先级较高）
    对资源的需求（对CPU和内存需求较少的进程，优先级较高）
    用户要求（紧迫程度和付费多少）
动态优先级
  在创建进程时赋予的优先级，在进程运行过程中可以自动改变，以便获得更好的调度性能。如：
    在就绪队列中，等待时间延长则优先级提高，从而使优先级较低的进程在等待足够的时间后，其优先级提高到可被调度执行；
    进程每执行一个时间片，就降低其优先级，从而一个进程持续执行时，其优先级降低到出让CPU

4.4.7 多级反馈队列算法 (Round Robin with Multiple Feedback)

多级反馈队列算法

4.4.8 调度算法性能指标

FCFS, Round Robin, SRR周转时间比较
长作业时：T(FCFS) < T(SRR) < T(RR)（运行时间是主要因素）；
短作业时：T(RR) < T(SRR) < T(FCFS)（等待时间是主要因素） 。

4.5 调度算法应用举例

4.6 实时调度

4.6.1 实时调度概述

4.6.2 实时调度分类

4.6.3 实时调度的特点

4.6.4 实时调度算法

静态表驱动调度（Static table-driven scheduling ）；
静态优先级驱动的剥夺调度（Static priority-driven preemptive scheduling ）；
动态分析调度算法（Dynamic planning-based scheduling ）；
无保障动态调度算法（动态最大努力调度Dynamic best effort scheduling ）。

4.6.5 静态表驱动调度算法（ Static table-driven scheduling ）

4.6.6 静态优先级驱动的剥夺调度（ Static priority-driven preemptive scheduling ）

4.6.7 动态分析调度算法 （Dynamic planning-based scheduling）

4.6.8 无保障动态调度算法 （动态最大努力调度——Dynamic best effort scheduling）

4.7 多处理机调度（MultiProcessor Scheduling）

4.7.1 与单处理机调度的区别

根据各处理器是否相同，MPS可分为：
对称多处理器系统SMPS（Symmetric MultiProcessor System）：系统所包含的各处理器单元，在功能和结构上都是相同的；
非对称多处理器系统ASMP（ Asymmetric MultiProcessor ）：系统中各处理器功能和结构不相同，其中包含一个主处理器，多个从处理器。

4.7.2 对称式多处理系统 (SMP)

4.7.3 非对称式多处理系统(ASMP)的处理机调度

4.7.4 成组调度 (Gang Scheduling)

可解决自调度线程切换频繁

4.7.5 专用处理机调度 (dedicated processor assignment)

为进程中的每个线程都固定分配一个CPU，直到该线程执行完成；
缺点：线程阻塞时，造成CPU的闲置；
优点：线程执行时不需切换，相应的开销可以大大减小，推进速度更快；
适用场合：CPU数量众多的高度并行系统，单个CPU利用率已不太重要。