1 背景

1.1 上下文切換:

• 切換CPU的當前任務, 從一個進程/線程到另一個
• 保存當前進程/線程在PCB/TCB中的執行上下文(CPU狀態)
• 讀取下一個進程/線程的上下文

1.2 CPU調度:

• 從就緒隊列中挑選一個進程/線程作為CPU將要運行的下一個進程/線程
• 調度程序: 挑選進程/線程的內核函數(通過一些調度策略)
• 什么時候進行調度?

1.3 內核運行調度程序的條件(滿足一條即可):

• 一個進程從運行狀態切換到等待狀態
• 一個進程被終結了

1.4 搶占式調度

大部分時候應用程序在運行的過程中是以用戶態進程的形式存在的, 一旦啟動了一個進程之后, 就會存在兩種情況, 可搶占和不可搶占:

不可搶占:

• 調度程序必須等待事件結束

可以搶占:

• 調度程序在中斷被相應后執行
• 當前的進程從運行切換到就緒, 或者一個進程從等待切換到就緒
• 當前運行的進程可以被換出

是否可以搶占:?當一個用戶進程執行系統調用, 如果系統調用在內核中不會導致這個進程處于等待狀態, 這個調用正常返回會返回到發起這個系統調用的進程繼續執行, 即不會在內核中發生搶占現象, 稱為內核的不可搶占. 如果系統調用期間, 內核切換到了別的進程執行,? 那么返回到用戶態會返回到另一個用戶進程, 稱為內核的可搶占.

2 調度原則

2.1 調度策略

2.2 程序執行模型

程序在CPU突發和I/O中交替:

• 每個調度決定都是關于在下一個CPU突發時將哪個工作交給CPU
• 在時間分片機制下, 線程可能在結束當前CPU突發前被迫放棄CPU

2.3 比較調度算法的準則

• CPU使用率: CPU處于忙狀態所占時間的百分比
• 吞吐量: 在單位時間內完成的進程數量
• 周轉時間: 一個進程從初始化到結束
• 等待時間: 進程在就緒隊列中的總時間
• 響應時間: 從一個請求被提交到產生第一次響應所花費的總時間

評價快慢的一些指標:

• 傳輸文件時的高帶寬
• 玩游戲時的低延遲
• 這兩個因素是獨立的

2.4 吞吐量VS延遲

調度算法的目標:

• 減少響應時間: 從而及時處理用戶的輸出并且盡快將輸出提供給用戶
• 減少平均響應時間的波動: 在交互系統中, 可預測性比高差異低平均更重要
• 增加吞吐量, 體現在兩個方面: 1. 減少開銷(操作系統開銷, 上下文切換). 2. 系統資源的高效利用(CPU, I/O設備)
• 減少等待時間: 減少每個進程的等待時間.

低延遲調度增加了交互式表現, 如果移動了鼠標, 但是屏幕中的光標卻沒動, 體驗就會很差. 但是操作系統需要保證吞吐量不受影響, 想要結束長時間的編程, 所以操作系統必須不時進行調整, 即使存在許多交互任務. 吞吐量是操作系統的計算帶寬, 響應時間是操作系統的計算延遲.

2.5 公平的目標

調度算法需要確立一個公平的目標, 不過這個怎么定義呢? 比如保證每個進程占用相同的CPU時間, 但是這樣的話一個用戶比其他用戶運行更多進程怎么辦. 比如保證每個進程都等待相同的時間, 公平通常會增加平均響應時間.

3 調度算法

3.1 FCFS

FCFS: 先來先服務, 即如果進程在執行中阻塞, 隊列中的下一個進程會得到CPU

舉例:

假設有三個任務P1, P2, P3, 執行時間分別是12, 3, 3.?

• 首先, 當任務到達順序為P1, P2, P3時, 如圖:

• 當任務到達順序為P2, P3, P1時, 如圖:

FCFS特點:

優點:

簡單

缺點:

• 平均等待時間波動較大
• 花費時間少的任務可能排在花費時間長的任務后面
• 可能導致I/O和CPU之間的重疊處理(CPU密集型進程會導致I/O設備閑置時, I/O密集型進程也在等待)

3.2 SPN(SJF) SRT

SPN(SJF) SRT: 短進程優先(短作業優先), 短剩余時間優先, 選擇下一個最短的進程, 按照預測的完成時間來將任務入隊.

可以是可搶占的或者不可搶占的:

• 可搶占, 又叫Shortest-Remaining-Time(SRT: 最短剩余時間), 執行程序可打斷, 并根據剩余執行時間重新確定優先級
• 不可搶占, 執行程序不可打斷

這種方法的平均等待時間是最小的.

缺點:

• 可能導致饑餓

• 連續的短任務流會使長任務饑餓
• 短任務可用時的任何長任務的CPU時間都會增加平均等待時間

• 需要預知未來(預測等待時間算法)

• 怎么預估下一個CPU突發的持續時間
• 簡單的解決方法: 詢問用戶
• 如果用戶欺騙就殺死進程
• 如果用戶不知道怎么辦

3.3 HRRN

HRRN: 最高響應比優先, 在SPN調度的基礎上改進, 不可搶占, 關注進程等待了多長時間, 防止無限期推遲

相應比:

R = (w + s) / s

• w: waiting time: 等待時間
• s: service time: 執行時間

3.4 Round Robin

Round Robin: 輪循, 使用時間切片和搶占來輪流執行任務, 在叫作量子, 或者時間切片的離散單元中分配處理器,?時間片結束時, 切換到下一個準備好的進程.

特點:

• 花銷: 額外的上下文切換
• 時間量子太大的話: 等待時間就會過長, 極限情況退化成FCFS
• 時間量子太小的話: 反映迅速, 但是...吞吐量由于大量的上下文切換開銷受到影響

目標:

• 選擇一個合適的時間量子
• 經驗規則: 維持上下文切換開銷處于1%以內

3.5 Multilevel Feedback Queue

Multilevel Feedback Queue: 多級反饋隊列, 優先級隊列中的輪循

• 就緒隊列被劃分成獨立的隊列(比如: 前臺/交互, 后臺/批處理)
• 每個隊列擁有自己的調度策略(比如: 前臺RR, 后臺FCFS),
• 調度必須在隊列間進行

但是進程的執行過程進程的特點會發生變化, 根據這個問題可以有如下設計:

• 一個進程可以在不同的隊列中移動
• 例如: n級優先級 - 優先級調度在所有級別中, RR在每個級別中:

• 時間量子大小隨優先級級別增加而增加
• 如果任務在當前的時間量子中沒有完成, 則降到下一個優先級

3.6 Fair Share Scheduling

Fair Share Scheduling: 公平共享調度

FSS控制用戶對系統資源的訪問

• 一些用戶組比其他用戶組更重要
• 保證不重要的組無法壟斷資源
• 未使用的資源按照每個組所分配的資源的比例來分配
• 沒有打到資源使用率目標的組獲得更高的優先級

3.7 調度算法評價

• 確定性建模: 確定一個工作量, 然后計算每個算法的表現
• 隊列模型: 用來處理隨機工作負責的數學方法
• 實現/模擬:

• 建立一個允許算法運行實際數據的系統
• 最靈活/具有一般性

4 實時調度

4.1 實時系統

定義:

正確性依賴于其時間和功能兩方面的一種操作系統.

性能指標:

• 時間約束的及時性(deadlines)
• 速度和平均性能相對不重要

主要特性:

時間約束的可預測性

分類:

• 強實時系統: 需要在保證的時間內完成重要的任務, 必須完成
• 弱實時系統: 要求重要的進程優先級更高, 盡量完成, 并非必須

一些術語:

• 任務(工作單元): 一次計算, 一次文件讀取, 一次信息傳遞等等
• 屬性: 取得進展所需要的資源, 實時參數
• 周期任務

• 任務有規律的重復
• 周期p = inter-release time (0 < p)
• 執行周期e = 最大執行時間(0 < e < p)
• 使用率U = e / p

• 硬時限

• 如果錯過了最后期限, 可能會發生災難性或非常嚴重的后果
• 必須驗證: 在最壞的情況下是否也能滿足時限
• 保證確定性

• 軟時限?

• 理想情況下, 時限應該被最大滿足. 如果有時限沒有被滿足, 那么就相應地降低要求
• 盡最大努力去滿足?

滿足實時性要求的調度算法設計:

• 決定實時任務執行的順序
• 靜態優先級調度
• 動態優先級調度?

4.2 可調度性

4.3 單調速率(RM)調度

• 最佳靜態優先級調度
• 通過周期安排優先級
• 周期越短優先級越高
• 執行周期最短的任務

4.4 截止日期最早優先(EDF)

• 最佳的動態優先級調度
• Deadline越早優先級越高
• 執行Deadline最早的任務

5 多處理器調度

多處理器的CPU調度更加復雜

• 多個相同的單處理器組成一個多處理器
• 優點: 負載共享

對稱多處理器(SMP)

• 每個處理器運行自己的調度程序
• 需要在調度程序中同步

6 優先級反轉

可以發生在任何基于優先級的可搶占的調度機制中, 當系統內的環境強制使高優先級任務等待低優先級任務時發生.

發生原因(圖示):

假設此時操作系統中有三個優先級不同的進程, 低優先級進程, 高優先級進程和中優先級進程. 在時刻先開始運行(此時優先級較高的另外兩個進程還沒開始運行):

在時刻開始訪問某個共享資源:

在時刻, 未對訪問完畢時, 開始跑了, 于是被搶占:

在時刻需要訪問此時被占用的, 由于被搶占, 所以其占用的還沒有釋放, 所以開始等待的釋放而被掛起, 從而繼續執行(此時正在使用):

在時刻還未使用完之前, 開始執行, 這樣又被搶占, 于是開始執行:

直到時刻執行完畢, 然后繼續執行, 繼續訪問:

時刻使用完之后, 釋放了, 然后開始使用, 直至執行完畢:

優先級反轉的持續時間取決于其他不相關任務的不可預測的行為, 如以上例子,?的執行時間被以及影響.

解決辦法:

• 低優先級任務繼承高優先級任務的優先級依賴于他們共享的資源.?如以上例子,?在訪問時由于此時正在被所占用, 所以的優先級會動態得到提升至和相同(因為被占用的原因), 使得不被搶占.
• 優先級天花板

• 優先級天花板: "資源"的優先級和"所有可以鎖定該資源的任務中優先級最高的那個任務"的優先級相同, 如以上例子,?的優先級跟的優先級相同.
• 除非優先級高于系統中所有被鎖定的資源的優先級上線, 否則任務嘗試執行臨界區的時候會被阻塞.?如以上例子,?占用執行時, 除非再來一個進程的優先級高于此時資源的優先級, 也就是的優先級, 也就是的優先級, 其可以搶占CPU執行, 否則就會被阻塞, 也就是過來時會被阻塞.
• 持有最高優先級上限信號量的任務, 會繼承被該鎖所阻塞的任務的優先級.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统处理器调度的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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