主要内容

  • 背景调度准则
    • CPU调度
    • CPU调度时间
  • 调度算法
  • 实时调度
  • 多处理器调度
  • 优先级反转

上下文切换

  • 切换CPU的当前任务，从一个进程/线程到另一个
  • 保存当前进程/线程在PCB/TCP中的执行上下文(CPU状态)〉读取下一个进程/线程的上下文

CPU调度

  • 从就绪队列中挑选一个进程/线程作为CPU将要运行的下一个进程/线程
  • 调度程序:挑选进程/线程的内核函数(通过一些调度策略)
  • 什么时候进行调度

 

当进程状态发生变化时，调度发生 

 

内核运行调度程序的条件（满足一条即可)

  • 一个进程从运行状态切换到等待状态
  • 一个进程被终结了

不可抢占

  • 调度程序必须等待事件结束

可以抢占

  • 调度程序在中断被响应后执行
  • 当前的进程从运行切换到就绪，或者一个进程从等待切换到就绪
  • 当前运行的进程可以被换出

 

调度原则

  • 调度策略
  • 程序执行模型
  • 比较调度算法的准则
  • 吞吐量vs延迟
  • 公平的目标

执行模型:程序在CPU突发和I/O中交替

  • 每个调度决定都是关于在下一个CPU突发时将哪个工作交给CPU
  • 在时间分片机制下，线程可能在结束当前CPU突发前被迫放弃CPU

调度指标

  • CPU使用率：CPU处于忙状态所占时间的百分比
  • 吞吐量：在单位时间内完成的进程数量
  • 周转时间：一个进程从初始化到结束，包括所有等待时间所花费的时间
  • 等待时间：进程在就绪队列中的总时间
  • 响应时间：从一个请求被提交到产生第一次响应所花费的总时间

人们通常都需要“更快”的服务

什么是更快

传输文件时的高带宽

  • 玩游戏时的低延迟
  • 这两个因素是独立的

和水管类比

  • 低延迟:喝水的时候想要一打开水龙头水就流出来
  • 高带宽:给游泳池充水时希望从水龙头里同时流出大量的水，并且不介意是否存在延迟

希望调度算法起到的效果

减少响应时间：及时处理用户的输出并且尽快将输出提供给用户

减少平均响应时间的波动：在交互系统中，可预测性比高差异低平均更重要

增加吞吐量：两个方面

  • 减少开销（操作系统开销，上下文切换)
  • 系统资源的高效利用(CPU，I/0设备)

减少等待时间：减少每个进程的等待时间

 

低延迟调度增加了交互式表现

  • 如果移动了鼠标，但是屏幕中的光标却没动，我可能会重启电脑

但是操作系统需要保证吞吐量不受影响

  • 我想要结束长时间的编程，所以操作系统必须不时进行调度，即使存在许多交互任务

吞吐量是操作系统的计算带宽

响应时间是操作系统的计算延迟

 

公平的定义

举例

  • 保证每个进程占用相同的CPU时间
  • 这公平么?如果一个用户比其他用户运行更多的进程怎么办

举例：保证每个进程都等待相同的时间

公平通常会增加平均响应时间

 

调度算法

常用调度算法

  • FCFS(先来先服务)：First Come，First Served
  • SPN(SJF) SRT(短进程优先(短作业优先)短剩余时间优先)：Shortest Process Next(Shortest Job First) Shortest Remaining Time
  • HRRN(最高响应比优先)：Highest Response Ratio Next
  • Round Robin(轮循)：使用时间切片和抢占来轮流执行任务
  • Multilevel Feedback Queues(多级反馈队列)：优先级队列中的轮循
  • Fair Share Scheduling(公平共享调度)

FCFS算法特点

优点

  • 简单

缺点

  • 平均等待时间波动较大
  • 花费时间少的任务可能排在花费时间长的任务后面
  • 可能导致I/0和CPU之间的重叠处理
    • CPU密集型进程会导致I/o设备闲置时，I/0密集型进程也在等待

 

SPN/SRT算法特点

优点

  • 最优平均等待时间

缺点

1. 可能导致饥饿

  • 连续的短任务流会使长任务饥饿
  • 短任务可用时的任何长任务的CPU时间都会增加平均等待时间

2. 需要预知未来

  • 怎么预估下一个CPU突发的持续时间
  • 简单的解决办法:询问用户
  • 如果用户欺骗就杀死进程
  • 如果用户不知道怎么办

 

HRRN特点：

  • 在SPN调度的基础上改进
  • 不可抢占
  • 关注进程等待了多长时间
  • 防止无限期推迟
  • R= ( w +s)/ s  w: waiting time等待时间 s: service time执行时间，选择R值最高的进程

 

Round Robin特点：

  • RR花销:额外的上下文切换
  • 时间量子太大
    • 等待时间过长
    • 极限情况退化成FCFS
  • 时间量子太小
    • 反应迅速，但是……
    • 吞吐量由于大量的上下文切换开销受到影响
  • 目标:
    • 选择一个合适的时间量子
    • 经验规则:维持上下文切换开销处于1%以内

 

Multilevel Queues特点：

就绪队列被划分成独立的队列:E.g.前台(交互)，后台(批处理)

每个队列拥有自己的调度策略E.g、前台–RR，后台–FCFS

调度必须在队列间进行

  • 固定优先级
    • 先处理前台，然后处理后台
    • 可能导致饥饿
  • 时间切片
    • 每个队列都得到一个确定的能够调度其进程的CPU总时间 E.g.8O%给使用RR的前台，20%给使用FCFS的后台

Multilevel Feedback Queues

一个进程可以在不同的队列中移动

例如：n级优先级——优先调度在所有级别中，RR在每个级别中

  • 时间量子大小随优先级级别增加而增加
  • 如果任务在当前的时间量子中没有完成，则降到下一个优先级

优点

  • CPU密集型任务的优先级下降很快
  • I/O密集型任务停留在高优先级

 

FFS算法特点

  • FFS控制用户对系统资源的访问
  • 一些用户组比其他用户组更重要
  • 保证不重要的组无法垄断资源
  • 未使用的资源按照每个组所分配的资源的比例来分配
  • 没有达到资源使用率目标的组获得更高的优先级

 

总结

FCFS先来先服务：不公平，平均等待时间较差

SPN/SRT短进程优先：不公平，但是平均等待时间最小；需要晴确预测计算时间；可能导致饥饿

HRRN最高响应比优先：基于SPN调度改进，不可抢占

Round Robin轮循：公平，但是平均等待时间较差

MLFQ多级反馈队列：和SPN类似

Fair-share scheduling：公平共享调度公平是第一要素

 

实时调度

实时系统

定义：正确性依赖于其时间和功能两方面的一种操作系统

性能指标

  • 时间约束的及时性(deadlines )
  • 速度和平均性能相对不重要

主要特性

  • 时间约束的可预测性

 

强实时系统：需要在保证的时间内完成重要的任务，必须完成

弱实时系统：要求重要的进程的优先级更高，尽量完成，并非必须

 

硬时限

  • 如果错过了最后期限，可能会发生灾难性或非常严重的后果
  • 必须验证:在最坏的情况下也能够满足时限吗
  • 保证确定性

软时限

  • 理想情况下，时限应该被最大满足。如果有时限没有被满足，那么就相应地降低要求。
  • 尽最大努力去保证

 

时限表示一个实时系统是否能够满足deadline要求

  • 决定实时任务执行的顺序
  • 静态优先级调度
  • 动态优先级调度

 

典型实时调度算法

1. RM (Rate Monotonic)速率单调调度

  • 最佳静态优先级调度
  • 通过周期安排优先级
  • 周期越短优先级越高
  • 执行周期最短的任务

2. EDF (Earliest Deadline First)最早期限调度

  • 最佳的动态优先级调度
  • Deadline越早优先级
  • 越高执行Deadline最早的任务

多处理器调度

多处理器的CPU调度更加复杂

  • 多个相同的单处理器组成一个多处理器
  • 优点:负载共享

对称多处理器(SMP)

  • 每个处理器运行自己的调度程序
  • 需要在调度程序中同步

 

优先级反转

  • 可以发生在任何基于优先级的可抢占的调度机制中 
  • 当系统内的环境强制使高优先级任务等待低优先级任务时发生 

解决方法

  • 低优先级任务继承高优先级任务的优先级依赖于他们共享的资源
  • 优先级天花板:“资源”的优先级和“所有可以锁定该资源的任务中优先级最高的那个任务”的优先级相同
  • 除非优先级高于系统中所有被锁定的资源的优先级上限，否则任务尝试执行临界区的时候会被阻塞
  • 持有最高优先级上限信号量锁的任务，会继承被该锁所阻塞的任务的优先级