猿考研之操作系统篇二（处理机调度）

处理机调度

当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题。
在多道程序系统中，进程的数量往往是多于处理机的个数的，这样不可能同时并行地处理各个进程。处理机调度，就是从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程的并发执行。*

调度层次

• 由于内存空间有限，有时无法将用户提交的作业全部放入内存，因此就需要确定某种规则来决定将作业调入内存的顺序。

• 高级调度（作业调度）

  • 按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个（或多个）作业，给他们分配内存等必要资源，并建立相应的进程（建立PCB），以使它（们)获得竞争处理机的权利。
  • 高级调度是辅存（外存）与内存之间的调度。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立相应的PCB，作业调出时才撤销PCB。高级调度主要是指调入的问题，因为只有调入的时机需要操作系统来确定，但调出的时机必然是作业运行结束才调出。

• 中级调度（内存调度）

  • 引入了虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且内存又稍有空闲时，再重新调入内存。
  • 这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。
  • 暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。值得注意的是，PCB并不会一起调到外存，而是会常驻内存。PCB中会记录进程数据在外存中的存放位置，进程状态等信息，操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到的挂起队列中。
  • 中级调度（内存调度），就是要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，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。

• 低级调度（进程调度）

  • 其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。
  • 进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。

• 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，suspend)
• 挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态
• 注意“挂起”和“阻塞”的区别，两种状态都是暂时不能获得CPU的服务，但挂起态是将进程映像调到外存去了，而阻塞态下进程映像还在内存中。
• 有的操作系统会把就绪挂起、阻塞挂起分为两个挂起队列，甚至会根据阻塞原因不同再把阻塞挂起进程进一步细分为多个队列。

进程调度的时机

进程调度（低级调度），就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机。

• 不能进行进程调度与切换的情况
  • 在处理中断的过程中。中断处理过程复杂，与硬件密切相关，很难做到在中断处理过程中进行进程切换。
• 进程在操作系统内核程序临界区中。
  • 但是进程在普通临界区中是可以进行调度，切换的。
  • 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
  • 内核程序临界区一般是用来访问某种内核数据结构的，比如进程的就绪队列（由各就绪进程的PCB组成）
  • 如果还没退出临界区（就绪队列还没解锁）就进行进程调度，但是进程调度相关的程序也需要访问就绪队列，但此时就绪队列被锁住了，因此没法正确执行
  • 内核程序临界区访问的临界资源如果不尽快释放的话，极有可能影响到操作系统内核的其他管理工作。因此在访问内核程序临界区期间不能进行调度与切换
  • 在打印机打印完成之前，进程一直处于临界区内，临界资源不会解锁。但打印机又是慢速设备，此时如果一直不允许进程调度的话就会导致CPU一直空闲。所以，普通临界区访问的临界资源不会直接影响操作系统内核的管理工作。因此在访问普通临界区时可以进行调度与切换。
• 在原子操作过程中（原语）。原子操作不可中断，要一气呵成（如之前讲过的修改PCB中进程状态标志，并把PCB放到相应队列）

进程调度的方式

有的系统中，只允许进程主动放弃处理机。有的系统中，进程可以主动放弃处理机，当有更紧急的任务需要处理时，也会强行剥夺处理机（被动放弃）

• 非剥夺调度方式，又称非抢占方式。即，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，适合于早期的批处理系统
• 剥夺调度方式，又称抢占方式。当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机，则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，也可实现让各进程按时间片轮流执行的功能（通过时钟中断）。适合于分时操作系统、实时操作系统

进程调度的切换与过程

• “狭义的进程调度”与“进程切换”的区别：

  • 狭义的进程调度指的是从就绪队列中选中一个要运行的进程。（这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程，也可能是另一个进程，后一种情况就需要进程切换）

• 进程切换是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两个步骤。

• 进程切换的过程主要完成了：

  • 1.对原来运行进程各种数据的保存
  • 2.对新的进程各种数据的恢复
  • （如：程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息，这些信息一般保存在进程控制块）

• 注意：进程切换是有代价的，因此如果过于频繁的进行进程调度、切换，必然会使整个系统的效率降低，使系统大部分时间都花在了进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少。

调度算法的好坏

CPU利用率

CPU利用率：指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例。

系统吞吐量

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量

周转时间、平均周转时间

• 对于计算机的用户来说，他很关心自己的作业从提交到完成花了多少时间。
• 周转时间，是指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。
• 它包括四个部分：作业在外存后备队列上等待作业调度（高级调度）的时间、进程在就绪队列上等待进程调度（低级调度）的时间、进程在CPU上执行的时间、进程等待I/O操作完成的时间。后三项在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次。
  
• 有的作业运行时间短，有的作业运行时间长，因此在周转时间相同的情况下，运行时间不同的作业，给用户的感觉肯定是不一样的，所以有了带权周转时间

• 对于周转时间相同的两个作业，实际运行时间长的作业在相同时间内被服务的时间更多，带权周转时间更小，用户满意度更高。
• 对于实际运行时间相同的两个作业，周转时间短的带权周转时间更小，用户满意度更高。

等待时间

• 计算机的用户希望自己的作业尽可能少的等待处理机
• 等待时间，指进程/作业处于等待处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。
  
• 对于进程来说，等待时间就是指进程建立后等待被服务的时间之和，在等待/0完成的期间其实进程也是在被服务的，所以不计入等待时间。
• 对于作业来说，不仅要考虑建立进程后的等待时间，还要加上作业在外存后备队列中等待的时间。
• 一个作业总共需要被CPU服务多久，被/0设备服务多久一般是确定不变的，因此调度算法其实只会影响作业/进程的等待时间。当然，与前面指标类似，也有“平均等待时间”来评价整体性能。

响应时间

• 对于计算机用户来说，会希望自己的提交的请求（比如通过键盘输入了一个调试命令）尽早地开始被系统服务、回应。
• 响应时间，指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。

调度算法

先来先服务（FCFS,First come first serve）

短作业优先（SJF,SPF,Shorttest Job First）

• 在所有进程同时可运行时，采用SF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少
• 也可以说，在所有进程都几乎同时到达时，采用SF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少
• 同义，抢占式的短作业/进程优先调度算法（最短剩余时间优先，SRNT算法）的平均等待时间、平均周转时间最少

对比FCFS和SJF

• FCFS算法是在每次调度的时候选择一个等待时间最长的作业（进程）为其服务。但是没有考虑到作业的运行时间，因此导致了对短作业不友好的问题
• SJF算法是选择一个执行时间最短的作业为其服务。但是又完全不考虑各个作业的等待时间，因此导致了对长作业不友好的问题，甚至还会造成饥饿问题
• 所以，怎么兼顾运行时间和考虑各个作业的等待时间呢？

高响应比优先 （HRRN）

比较

注：这几种算法主要关心对用户的公平性、平均周转时间、平均等待时间等评价系统整体性能的指标，但是不关心“响应时间”，也并不区分任务的紧急程度，因此对于用户来说，交互性很糟糕。因此这三种算法一般适合用于早期的批处理系统，当然，FCFS算法也常结合其他的算法使用，在现在也扮演着很重要的角色。

时间片轮转调度（RR,Round-Robin）

常用于分时操作系统，更注重“响应时间“”，因而此处不计算周转时间

• 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先来先服务调度算法，并且会增大进程响应时间。因此时间片不能太大。
  • 比如：系统中有10个进程在并发执行，如果时间片为1秒，则一个进程被响应可能需要等9秒.…也就是说，如果用户在自己进程的时间片外通过键盘发出调试命令，可能需要等待9秒才能被系统响应
• 另一方面，进程调度、切换是有时间代价的（保存、恢复运行环境），因此如果时间片太小，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，从而导致实际用于进程执行的时间比例减少。可见时间片也不能太小。
• 一般来说，设计时间片时要让切换进程的开销占比不超过1%

优先级调度算法

• 就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织。另外，也可以把优先级高的进程排在更靠近队头的位置
• 根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级两种。
  • 静态优先级：创建进程时确定，之后一直不变。
  • 动态优先级：创建进程时有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级。
• 合理设置优先级的准则
  • 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（或称l/O繁忙型进程）
  • 与I/O型进程相对的是计算型进程（或称CPU繁忙型进程）
  • I/O设备和CPU可以并行工作。如果优先让I/O繁忙型进程优先运行的话，则越有可能让I/O设备尽早地投入工作，则资源利用率、系统吞吐量都会得到提升
• 动态优先级根据什么调整
  • 可以从追求公平、提升资源利用率等角度考虑
  • 如果某进程在就绪队列中等待了很长时间，则可以适当提升其优先级
  • 如果某进程占用处理机运行了很长时间，则可适当降低其优先级
  • 如果发现一个进程频繁地进行I/O操作，则可适当提升其优先级

多级反馈队列调度算法

• 综合所有的优点
  • FCFS算法的优点是公平
  • SJF算法的优点是能尽快处理完短作业，平均等待/周转时间等参数很优秀
  • 时间片轮转调度算法可以让各个进程得到及时的响应
  • 优先级调度算法可以灵活地调整各种进程被服务的机会
    
    
• 被抢占处理机的进程重新放回原队列队尾

对比

注：比起早期的批处理操作系统来说，由于计算机造价大幅降低，因此之后出现的交互式操作系统（包括分时操作系统、实时操作系统等）更注重系统的响应时间、公平性、平衡性等指标。而这几种算法恰好也能较好地满足交互式系统的需求。因此这三种算法适合用于交互式系统。（比如UNIX使用的就是多级反馈队列调度算法）