《操作系统 - 清华大学》 9 -2：进程调度：调度原则

进程调度策略：原则、指标与权衡

在计算机系统中，进程调度策略至关重要。我们讲的就是有不同的这种调度策略，那么调度的原则是什么呢？原则就是选择某一个进程执行的依据，即要基于什么样的标准来挑选最合适的进程去执行，这便是调度的原则。

在考虑进程调度时，有诸多因素需要关注。首先，我们要了解进程在计算机系统中的运行状态。进程主要做的事情是访问内存以及让CPU进行计算。从计算机系统层面看，以CPU为例，会呈现出一种波动现象。在某个时刻，CPU占用百分比可能很高，比如进程在进行复杂、频繁的计算；而有时又会突然下降，这是因为进程可能要进行I/O操作。例如读取硬盘中的文件，数据从硬盘传输到内存需要较长时间，此时CPU空闲无事可做，导致占用率下降。

我们期望在CPU空闲时，也就是某个进程等待I/O操作完成后，让其他处于就绪态的进程能够占用CPU资源继续运行，从而使CPU尽量保持忙碌状态，提高系统资源的利用率。而要做到这一点，就需要合理安排CPU繁忙型进程和I/O繁忙型进程，协调好这些进程，让它们充分利用资源，进而提高整个系统的效率。

这就涉及到调度算法的评价指标。在选择调度方法时，我们需要明确评价指标，常见的指标有CPU利用率、吞吐量、周转时间、等待时间和响应时间。

• CPU利用率：CPU利用率越高，通常认为当前系统的效率越高。如果在一段时间内，整体CPU利用率一直保持较高水平，那么可以说进程调度执行得不错。
• 吞吐量：对于像Web服务器的网络请求、数据库事务处理这类场景，会涉及到单位时间内完成事情的数量，我们用吞吐量（throughput）来表示。吞吐量越高，意味着进程的效率越好。我们希望系统中的不同进程，或者多个进程的整体吞吐量都很高，这样的调度算法对系统吞吐量的支持就更好。
• 周转时间：从进程最开始启动（创建进程并使其可以运行），到最后完成工作，这个全过程所花费的时间就是周转时间（turn around time）。它由等待时间和服务时间组成，我们希望周转时间越小越好。因为如果一个进程等待时间很长，而服务时间很短，周转时间就会变长，这是我们不希望看到的情况。
• 等待时间：这里的等待时间是指处于就绪态的进程，等待变为运行态去占用CPU执行的时间，而非阻塞态进程等待被唤醒的时间。我们期望就绪态进程的等待时间越短越好，这样它们就能更快地在CPU上执行任务。
• 响应时间：从用户或外部设备发出请求，到该请求被进程处理完毕的这段时间，就是响应时间（response time）。显然，响应时间越快越好，特别是对于交互式应用，比如用户按下键盘，系统需要迅速响应。

这些指标可用于评测和分析调度算法，对其进行量化分析。一般人们希望进程或进程提供的服务能更快，但“快”这个概念比较含糊，而上述常用指标能够对“快”进行量化。需要注意的是，这些指标之间往往相互矛盾，很难同时满足所有指标的最优情况。例如，最小响应时间和最大吞吐量就很难同时实现。因此，我们需要寻找一种调度算法，在这些矛盾的指标之间进行平衡，找到一个折中的状态。

在日常生活中，以对水的需求为例可以帮助我们理解。打开水龙头喝水时，希望一打开就迅速有水出来，这体现的是响应时间快；而用粗水管浇花时，打开水龙头后虽然水流到土地的时间较长，但单位时间出水量大，即吞吐量高。这两种情况都是对“快”的不同需求体现，对应着不同的指标。所以在衡量调度算法时，应尽量采用量化方法，避免使用含糊的表述，以免引起误解 。

对于调度算法，我们期望它能达到以下效果：响应时间越小越好，即提出请求能马上得到反馈；响应时间的波动越小越好，避免出现一会儿快一会儿慢的情况；吞吐量越大越好，比如快速完成文件传输；等待时间越小越好，让程序启动后能马上执行 。

由于这些指标相互矛盾，在设计调度算法时，需要有所侧重，进行权衡。不同的应用场合对调度算法的要求也不同。桌面系统更强调交互性，对调度策略的要求较高；数据中心的服务器则更注重吞吐量，需要提供较大带宽来满足视频等服务请求。

以Linux系统为例，它针对桌面（desktop）和服务器（server）的调度设置就不一样，会根据不同的应用需求选择更合适的调度策略和算法。

除了上述指标，还有一个重要的衡量因素——公平。在操作系统中，如今进程数量众多，为确保每个进程都能得到CPU的响应和服务，不能让某个进程占用过多的CPU时间，而其他进程很少。公平性体现在每个进程占用CPU的服务时间大致公平，等待占用CPU执行的等待时间也大致公平。基于公平性，也有相应的调度算法，比如公平共享算法，专门用于保证多用户或多进程系统中，各个进程能公平地享受计算资源。