【操作系统】处理机调度

一、调度的概念、层次

1.1 三个层次

• 高级调度（作业调度）：按一定的原则从外存的作业后备队列中挑选一个作业调入内存，并创建进程。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立PCB，调出时才撤销PCB。
• 低级调度（进程调度/处理机调度）：按照某种策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机CPU分配给它。进程调度是操作系统中最基本的一种调度。
• 中级调度（内存调度）：按照某种策略决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。
  内存不够时，可将某些进程的数据调出外存。等内存空闲或者进程需要运行时再重新调入内存。

  暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。被挂起的进程PCB会被组织成挂起队列

	要做什么	调度发生地	发生频率	对进程的影响
高级调度（作业调度）	按照某种规则，从后备队列中选择合适的作业将其调入内存，并为其创建进程	外存→内存（面向作业）	最低	无→创建态→就绪态
中级调度（内存调度）	按照某种规则，从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存	外存→内存（面向进程）	中等	挂起态→就绪态（阻塞挂起→阻塞态）
低级调度（进程调度）	按照某种规则，从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机	内存→CPU	最高	就绪态→运行态

1.2 七状态模型

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态，挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态

二、调度算法的评价指标

2.1 CPU利用率

CPU利用率：指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例。
$$利用率=\frac{忙碌时间}{总时间}$$

2.2 系统吞吐率

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量

$$系统吞吐量=\frac{总共完成多少道作业}{总共花了多少时间}$$

2.3 周转时间

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。
$$周转时间=作业完成时间-作业提交时间$$
$$平均周转时间=\frac{各作业周转时间之和}{作业数}$$
$$带权周转时间=\frac{周转时间}{作业实际运行的时间}$$
$$平均带权周转时间=\frac{各作业带权周转时间}{作业数}$$

2.4 等待时间

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I/O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。

2.5 响应时间

响应时间，用户提交请求到首次产生0响应所用的时间。

三、进程调度（低级调度）的时机

3.1 需要进程调度的情况

• 主动放弃
  
  

  • 进程正常终止
  • 异常而终止
  • 进程主动请求阻塞（如等待I/O)

• 被动放弃

  • 当前运行的进程分给进程的时间片用完
  • 有更高优先级的进程进入就绪队列
  • 有更紧急的事需要处理

3.2 不能进程调度的情况

• 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。

• 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)

• 进程在操作系统内核程序临界区中。

  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）
  

3.3 闲逛进程

调度程序永远的备胎，没有其他就绪进程时，运行闲逛进程(idle)

• 闲逛进程的特性:
  • 优先级最低
  • 可以是0地址指令，占一个完整的指令周期(指令周期末尾例行检查中断)，这个中断会周期性唤醒调度程序，让调度程序检查有没有其他就绪进程已经就绪，如果有就让闲逛进程下处理机，让其他进程上处理机器。
  • 能耗低，0地址指令表示不需要访存，也不需要访问CPU的寄存器，这就会使CPU能耗较低

四、进程调度（低级调度）的方式

• 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

五、进程调度（低级调度）的切换与过程

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。
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）

六、调度算法

• 早期无交互式，只关心公平性、平均周转时间和平均等待时间等整体性能的指标的算法：FCFS、SJF和HRRN
• 考虑交互式的算法：RR、优先级调度和多级反馈队列

6.1 先来先服务FCFS

先来先服务FCFS
算法思想	主要从“公平”的角度考虑
算法规则	按照作业/进程到达的先后顺序进行服务（谁先来就服务谁）
用于作业/进程调度	用于作业调度时，考虑的是哪个作业先到达后备队列；用于进程调度时，考虑的是哪个进程先到达就绪队列
是否可抢占？	非抢占式的算法
优缺点	优点：公平、算法实现简单 缺点：排在长作业（进程）后面的短作业需要等待很长时间，带权周转时间很大，对短作业来说用户体验不好。即FCFS算法对长作业有利，对短作业不利（例如：排队买奶茶…）
是否会导致饥饿	不会

6.2 短作业优先SJF

短作业优先SJF
算法思想	追求最少的平均等待时间，最少的平均周转时间、最少的平均平均带权周转时间
算法规则	最短的作业/进程优先得到服务（所谓“最短”，是指要求服务时间最短）（谁用时短谁先来）
用于作业/进程调度	即可用于作业调度，也可用于进程调度。用于进程调度时称为“短进程优先”（SPF，Shortest Process First）算法
是否可抢占？	SJF和SPF是非抢占式的算法。但是也有抢占式的版本：最短剩余时间优先算法（SRTN，Shortest Remaining Time Next）
优缺点	优点：“最短的”平均等待时间、平均周转时间 缺点 ：不公平。对短作业有利，对长作业不利。可能产生饥饿现象。另外，作业/进程的运行时间是由用户提供的，并不一定真实，不一定能做到真正的短作业优先会。如果源源不断地有短作业/进程到来，可能使长作业/进程长时间得不到服务，产生“饥饿”现象。如果一直得不到服务，则称为“饿死”
是否会导致饥饿	可能会产生饥饿现象

6.3 高响应比优先HRRN

高响应比优先HRRN
算法思想	要综合考虑作业/进程的等待时间和要求服务的时间
算法规则	在每次调度时先计算各个作业/进程的响应比，选择响应比最高的作业/进程为其服务（按“闹”分配）
响应比公式	响应比 = (等待时间 + 要求服务时间) / 要求服务时间
用于作业/进程调度	即可用于作业调度，也可用于进程调度
是否可抢占?	非抢占式的算法。因此只有当前运行的作业/进程主动放弃处理机时，才需要调度，才需要计算响应比
优缺点	综合考虑了等待时间和运行时间(要求服务时间) 等待时间相同时，要求服务时间短的优先(SJF的优点) 要求服务时间相同时，等待时间长的优先(FCFS的优点) 对于长作业来说，随着等待时间越来越久，其响应比也会越来越大，从而避免了长作业饥饿的问题
是否会导致饥饿	不会导致饥饿

6.4 时间片轮转RR

时间片轮转RR
算法思想	公平地、轮流地为各个进程服务，让每个进程在一定时间间隔内都可以得到响应
算法规则	按照各进程到达就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个时间片（如100ms）。若进程未在一个时间片内执行完，则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队。
用于作业/进程调度	用于进程调度（只有作业放入内存建立了相应的进程后，才能被分配处理机时间片）
是否可抢占？	若进程未能在时间片内运行完，将被强行剥夺处理机使用权，因此时间片轮转调度算法属于抢占式的算法。由时钟装置发出时钟中断来通知CPU时间片已到
优缺点	优点：公平；响应快，适用于分时操作系统； 缺点：由于高频率的进程切换，因此有一定开销；不区分任务的紧急程度。
是否会导致饥饿	不会

• 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。
• 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。

6.5 优先级调度算法

优先级调度算法
算法思想	随着计算机的发展，特别是实时操作系统的出现，越来越多的应用场景需要根据任务的紧急程度来决定处理顺序
算法规则	调度时选择优先级最高的作业/进程
用于作业/进程调度	既可用于作业调度，也可用于进程调度。甚至，还会用于在之后会学习的I/O调度中
是否可抢占?	抢占式、非抢占式都有。的别在于:非抢占式只需在进程主动放弃处理机时进行调度即可,而抢占式还需在就绪队列变化时,检查是否会发生抢占。
优缺点	优点:用优先级区分紧急程度、重要程度,适用于实时操作系统。可灵活地调整对各种作业/进程的偏好程度。 缺点:若源源不断地有高优先级进程到来,则可能导致饥饿
是否会导致饥饿	会

6.6 多级队列调度算法

多级队列调度算法
算法思想	对其他调度算法的折中权衡
算法规则	设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大 新进程到达时先进入第1级队列，按FCFS原则排队等待被分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾 如果此时已经在最下级的队列，则重新放回该队列队尾 只有第k级队列为空时，才会为k+1级队头的进程分配时间片
用于作业/进程调度	用于进程调度
是否可抢占？	抢占式的算法。在k级队列的进程运行过程中，若更上级的队列(1~k-1级)中进入了一个新进程，则由于新进程处于优先级更高的队列中，因此新进程会抢占处理机，原来运行的进程放回k级队列队尾。
优缺点	对各类型进程相对公平(FCTS的优点)；每个新到达的进程都可以很快得到响应(RR的优点)；短进程只用较少的时间就可以完成(SPF的优点)；不必实现估计进程的运行时间(避免用户作假)； 可灵活地调整对各类进程的偏好程度，比如CPU密集型进程、I/O密集型进程(拓展：可以将因I/O而阻塞的进程重新放回原队列，这样I/O型进程就可以保持较高优先级)
是否会导致饥饿	会