OS 操作系统 处理器调度

（这一章的重点是六个短程调度的算法：FCFS、RR、SRN、SRT、HRRN、Feedback；只介绍单处理器的调度）

调度的种类 Three-Level Scheduling

长程调度 Long-Term Scheduling

当一个新的进程被创建时，需要对是否将其加入进程集做出决策。既然长程调度决定接纳哪一个进程到系统内进行处理，就决定了系统的多道程序度和并发度。

需要对两类进程的数目和比例作出权衡考虑：

• 受处理器限制的进程 Processor-bounded processes：主要做计算工作，偶尔才会用 I/O

• 受 I/O 限制的进程 I/O-bounded processes ：使用 I/O 设备的时间长于用 CPU 的时间

中程调度 Medium-Term Scheduling

中程调度就是 swapping 的一部分，针对的是内存资源，决定将哪些进程换入、换出内存。swapping 也是基于对多道程序度的管理的需要。

短程调度 Short-Term Scheduling

短程调度就是 CPU 的分派程序，决定应当将处于就绪态的进程中的哪一个作为 CPU 执行的下一个进程。时三类调度中执行最频繁的调度级别。

短程调度 Short-Term Scheduling

调度准则 Criteria

调度算法的成功与否取决于，是否能让进程保持 CPU-I/O 脉冲循环：

• 进程往往以一个 CPU burst 开始执行，接着是 CPU burst 和 I/O burst 交替出现；最后以一个 CPU burst 调用系统调用，结束进程
• CPU 的速度增长得比磁盘等 I/O 设备要快，因此受 I/O 限制的进程比例越来越大

抢占式调度 VS 非抢占式调度 Non-preemptive vs Preemptive Scheduling

CPU 在以下几种情况时需要作出调度决策：

1. 当前正在运行的进程进入阻塞态（可能是在等待 I/O 或者等待其他进程发生动作）

2. 当前正在运行的进程结束了

3. 当某个（外部）中断出现（可能是某个优先级比较高的进程锁等待的外部事件发生了）

4. 当某个进程从阻塞态切换到就绪态（可能它的优先级比较高）

抢占式调度 Preemptive Scheduling： 当前正在运行的进程可能会被打断进入就绪态（前面提到的四种情况都有可能需要调度）

• 优点：没有进程能够垄断处理器，因此可以提供更好的服务
• 缺点：开销大，需要更好的调度算法和硬件支持来减少开销

非抢占式 Nonpreemptive Scheduling： 只要一个进程在运行就可以一直运行，直到它主动等待、阻塞，或者主动结束时才需要作出调度（只有前面提到的第一、二种情况需要调度）

调度算法的目标 Scheduling Algorithm Goals

所有系统：

• Fairness：类似的进程应当被相同地对待，并且不能让任何进程经受 starvation
• Enforcing Priorities ：进程间需要有优先级，特权进程需要被优先执行
• Balancing Resources： 尽量充分利用所有资源，不要空闲

批处理系统 Batch System：

• Throughput： 吞吐量，每个单位时间内能够完成多少进程数
• Turnaround Time： 周转时间，从用户提交作业到产出结果的时间
• Processor Utilization： 处理器的利用率（这对于共享系统来说更重要，对一些单用户的系统或者实时系统则不是那么重要）

交互式系统 Interactive System：

• Response Time： 响应时间，从用户提交请求到开始有应答的时间；这是最重要的一条标准
• Predictability / Proportionality： 对于同一作业来说，不论当前系统的繁忙程度如何，其周转时间和相应时间应该是比较均匀的、变化较小的，这样可预测性较好。

实现策略

Selection Function

有一个专门的选择函数用于从就绪的进程种选择下一个来执行，选择的标准有：

• 优先级 Priority
• 资源需求 Resource Requirements
• 执行特点 Execution Characteristic
  • w = 该进程存在的时间，包括等待和运行的时间
  • e = 该进程已经运行的时间
  • s = 该进程要求的总的服务时间，包括 e 在内

优先级 Priorities

常常使用优先级来实现调度算法：

• 调度器总是会优先选择优先级较高的进程来运行
• 对于每一个优先级，都有相应的就绪队列用于存放同一登记的、处于就绪态的进程
• 问题：低优先级的进程可能会出现 starvation；为了避免 starvation，可以依据等待时间和执行记录来调整的进程的优先级

短程调度策略 Short-Term Scheduling Policies

评价指标

主要介绍六种短程调度策略，都以以下的进程作为例子：

**Turnaround Time（TAT）周转时间：**从进程进入系统到最终完成的时间（Finish Time - Arrival Time）

Normalized Turnaround Time 归一化周转时间： TAT / service time（周转时间和处理时间的比例）

• 最小值为 1 ：当归一化周转时间为 1 时，代表服务质量最好，越大则服务质量下降；
• 归一化周转时间时最常用的评价调度策略的指标，因为需要更长处理时间的进程应当忍受更长的等待时间

① First-Come-First-Served (FCFS)

算法： （非抢占式）使用一个就绪队列，新进入就绪态的进程加入队尾；当前进程停止运行时，选择队头（即等待时间最长）的进程来运行

优点： 实现简单，对处理时间较长的进程表现好；

缺点： FCFS 偏爱受 CPU 限制的进程，最终可能导致对 CPU 的使用率和对 IO 设备的使用率都下降。（因为受 IO 限制的进程每次使用 CPU 的时间很短，就又要进行 IO 操作，进入等待队列，导致服务质量下降，进而导致 IO 的利用率也降低；最后当受 CPU 限制的进程运行完后，往往只剩下受IO限制的进程，又导致 CPU 的利用率降低）

（FCFS 的缺点提醒我们应当让使用资源时间较短的进程拥有更高的优先级）

总结： FCFS 对于单处理器来说并不是一个很好的选择，经常用于搭配其他的调度策略（例如 FeedBack）一起使用。

② Round-Robin(轮转) / Time Slicing(时间分片)

算法： （抢占式）也有一个类似 FCFS 的队列机制；当一个进程新进入运行态时启动时钟，退出时关闭；时钟每隔一定时间就产生中断，因此每个进程最多能运行一个定长的时间片。

关键： 时间片长度的选择

• 如果太长，可以考虑极端情况，那么变得和 FCFS 一样；
• 如果太短，可以考虑极端情况，进程间切换的时间比时间片还长，得不偿失。

优点： RR 在分时系统或者交易处理系统方面尤为高效；

缺点： Unfairness，时间片对于 FCFS 的问题解决是不彻底的，受 IO 限制的进程的优先级还是没有得到提升。因此受 IO 限制的进程表现差， IO设备利用率低，进程间的响应时间差距大。

Virtual Round-Robin（VRR）

**算法： **（作为 RR 的改进策略）在原来队列的基础上再引入一条辅助队列，并且让辅助队列比原先的队列优先级更高：

• 主要队列：当进程从运行态切换到就绪态时，加入该队列；

• 辅助队列：当进程从阻塞态切换到就绪态时，加入该队列。

③ Shortest Process Next（SPN） / Shortest Job First

算法：（非抢占式）下一个执行的进程为预计使用 CPU 时间最短的进程（即队列变成了一个以时间期望为 key 的优先队列）

优点： 与 FCFS 相比表现好很多；当所有进程同时到达就绪队列时，SPN 所有非抢占式调度算法中最优解（可以证明）；

缺点： 对于使用 CPU 时间较长的进程，有可能出现 starvation；对于 FCFS 偏好长进程的优化还不够彻底（主要是因为没有抢占机制）；需要估计每个 busrt 的运行时间。

关键： 如何估计运行时间（例如，可以按照运行时间的历史记录，为每个进程保存一个每个 burst 的运行平均时间）

④ Shortest Remaining Time

算法： （抢占式，相当于是 SPN 的抢占版本）

• 抢占时机：新的进程进入就绪队列时
• 抢占原则：比较新的进程与当前运行进程的预期剩余时间，谁短谁运行

优点： 解决了 FCFS 对于长时间进程的偏爱；相比于 RR，SRT 不会产生额外的无用的中断

Priority Scheduling 优先级调度

算法： 按照某种优先级进行调度，同种优先级的则按照 FCFS 规则排列；可以是抢占式的也可以是非抢占式的

SPN 就是优先级调度的一个特例，优先级为下一个 burst 的预计时长；

受 IO 限制的进程应当拥有更高的优先级。

⑤ Highest Response Ratio Next

算法： （非抢占式）考虑预计响应比，响应比越大的进程先执行（相对等待时间越长的进程越先执行）

响应比： $R=\frac{w+s}{s}$ ，$w$ 是进程等待的时间，$s$ 是预计的服务时间（随着 $w$ 的增大，$R$ 增大）（响应比就是归一化周转时间）

优点： 相比于 SPN 或 SRT，不会发生 starvation ！

缺点： 和 SPN 或 SRT 一样需要估计 service time

⑥ Feedback(反馈)

思想：（抢占式）SPN、SRT 和 HRRN 对于服务时间的估计并不总是能被实现，于是我们可以根据进程上一次 CPU burst 的表现来及时调整进程的优先级（即关注于进程当前已经运行的时间，而不是预计的剩余时间）最终表现为更偏向于新的、短 burst 的进程。

算法： 使用多个队列 RQ0-n，每一级队列内部使用 RR 策略；当某个进程运行时，将当前时间片全部用完，那么它将被下放到下一级队列；新加入系统的进程进入第一级队列，总体情况是越来越往下移动。

（时间片用完，说明它对 CPU 时间的需求越大，因此要降低它的优先级）

缺点： 长时间的进程会发生 stavation

变体：

• 优先级越低的队列时间片长度越长，例如 RQi 的时间片长度可以是 $2^i$ 个单位（因为优先级越低说明它对 CPU 时间的需求越大）
• 可以用 HRRN 的机制，对当前队列等待时间过长的进程提升其优先级，到上一层队列

总结