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💛本文摘要💛

本专栏主要是讲解操作系统的相关知识 本文主要讲解 调度算法

文章目录

• 🌑调度算法
• • 🌗1. 背景
  • 🌗2. 调度原则
  • • 🌔2.1 概述
    • 🌔2.2 调度策略
  • 🌗3. 调度算法
  • • 🌔3.1 FCFS (先来先服务)
    • 🌔3.2 SPN(不可抢占短作业优先) SRT (可抢占短作业优先)
    • 🌔3.3 HRRN(最高响应比优先)
    • 🌔3.4 Round Robin(轮循)
    • 🌔3.5 Multilevel Feedback Queues(多级反馈队列)
    • 🌔3.6 Fair Share Scheduling(公平共享调度)
  • 🌗4. 实时调度（前面是通用调度）
  • • 🌔4.1 概述
    • 🌔4.2 实时系统
    • 🌔4.3 速率单调调度(RM)
    • 🌔4.4 最早期限调度(EDF)
  • 🌗5. 多处理器调度
  • 🌗6. 优先级反转

清华操作系统系列文章：可面试可复习
1. 操作系统—概述
2. 操作系统—中断、异常、系统调用
3. 操作系统—物理内存管理
4. 操作系统—非连续内存分配
5. 虚拟内存管理
6. 操作系统—虚拟内存管理技术页面置换算法
7. 进程管理
8. 调度算法
9. 同步与互斥
10. 信号量和管程
11. 死锁和进程通信
12. 文件系统管理

🌑调度算法

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

🌗1. 背景

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/TCB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（什么时候切，根据什么原则切）

• 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?

• 从一个状态到另一个状态变化的时候，会触发一次调度,特别是和运行相关的状态变化

用户态运行调度

• 调度需要考虑俩种情况，大部分调度的是应用程序，对于应用程序而言，它运行是在用户态的进程形式存在的

内核运行调度

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

不可抢占

• 调度程序必须等待事件结束

可以抢占

• 调度程序在中断被相应后执行
• 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

🌗2. 调度原则

🌔2.1 概述

• 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

🌔2.2 调度策略

• 调度策略

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

我们的目标:

• 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,可预测性比高差异性低平均更重要
• 增加吞吐量: 减少开销(操作系统开销,上下文切换);系统资源的高效率用(CPU,IO设备)
• 减少等待时间: 减少每个进程的等待时间

评价指标

• 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 + 服务时间)
• 等待时间: 进程在就绪队列中的总时间（处于就绪态进程多久才能变成运行态）
• 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

公平的定义

• 举例:

  • 保证每个进程占用相同的CPU时间
  • 这公平嘛?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

🌗3. 调度算法

• FCFS (先来先服务)
  • First come, First Served
• SPN(SJE) 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）

🌔3.1 FCFS (先来先服务)

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(没有考虑抢占)
• 可能导致IO和CPU之间的重叠处理
  • CPU密集型进程会导致IO设备闲置时,IO密集型进程也在等待

🌔3.2 SPN(不可抢占短作业优先) SRT (可抢占短作业优先)

• 选择预测的完成时间来将任务入队

当P_w 在执行的过程中，又来了一个进程它执行的时间很短，此时有俩种策略：抢占和不抢占

• 可以是抢占的或者是不可抢占的
  • 不可抢占：当前进程继续执行，新来的花费时间短的进程，排到就绪队列的最前面，不会打断当前正在运行的进程
  • 可抢占：P_w 当前进程，正在执行时，它本来执行时间比较久，但是当执行完一个时间片后，例如执行时间是8，此时来了一个新进程P_a 执行时间是5。此时P_w从运行态变到就绪态，把它重新挂到就绪队列中去，P_a占用CPU执行
    

SPN最大好处是最优平均等待时间最少

问题

• 可能导致饥饿

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

• 需要预测未来

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

🌔3.3 HRRN(最高响应比优先)

• 前面SPN 只是考虑任务运行时间，而HRRN进行了优化多考虑了一个等待时间
• 公式：R=(等待时间+执行时间)/执行时间
  
  问题
• 这个算法，不考虑抢占，当遇到优先级更高的，无法解决

🌔3.4 Round Robin(轮循)

• 使用时间切片和抢占来轮流执行任务

例子

• 从图中发现这个Round Robin时间依旧很长

问题
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
• 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

🌔3.5 Multilevel Feedback Queues(多级反馈队列)

• 综合RR和短路优先等特点

• 就绪队列被划分成独立的队列:

  • 比如前台(交互),后台(批处理)

• 每个队列拥有自己的调度策略:

  • 比如前台(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;
    • 比如 80%使用RR的前台,20%使用FCFS的后台

多级反馈

• 进程执行的特征，执行的动态性，在队列中的位置有所反应
• 进程在动态执行过程中的特征，动态调整进程的优先级，使得I/O密集型任务优先级高（交互性高的可以及时响应）。CPU密集型任务优先级下降很快（消耗资源多的可以执行慢点）

🌔3.6 Fair Share Scheduling(公平共享调度)

• 前面算法只考虑一部分公平性，并没有把它作为很重要的指标
• 有些用户开一个进程，有些用户开了多个进程，但是希望所有的用户是平等的（站在用户角度）

FSS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

评价方式

总结

• FCFS (先来先服务)
  • 不公平，平均等待时间较差
• SPN(不可抢占短作业优先) SRT (可抢占短作业优先)
  • 不公平，但是平均等待时间最小
  • 需要精确预测计算时间
  • 可能会导致饥饿
• HRRN(最高响应比优先)
  • 基于SPN改进
  • 不可抢占
• Round Robin(轮循)
  • 公平，但是平均等待时间较差
• Multilevel Feedback Queues(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

🌗4. 实时调度（前面是通用调度）

🌔4.1 概述

• 实时系统
• 可调度性
• 单调速率（RM）
• 截止日期最早优先（EDF）

🌔4.2 实时系统

确保某个任务必须在规定时间完成（实时调度）

定义:

• 正确性依赖于其时间和功能两方面的一个操作系统

性能指标:

• 时间约束的及时性;
• 速度和平均性能相对不重要

主要特征:

• 时间约束的可预测性

分类:

• 强实时系统: 需要在保证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

问题：衡量一个进程能否完成实时性的需求

released :发起，也就是前面的就绪
就绪后不能立刻执行，需要等待一段时间，
蓝色：就是任务在这一段时间内开始执行
结束时间就是蓝色块右边的位置
最右边有一个deadline,当超过这个期限，则实时性就没有得到满足

实例


设计一个算法，满足硬时限和软时限

🌔4.3 速率单调调度(RM)

静态调度算法，在RM优先级在任务执行之前就确定了

• 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

🌔4.4 最早期限调度(EDF)

• 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

🌗5. 多处理器调度

• 问题1：来了一个进程，他应该让哪个CPU去执行
• 问题2：多个CPU，就会产生有的CPU闲，有的CPU忙，确保CPU都是均匀的

🌗6. 优先级反转

• 可以发生在任务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

解决办法