11.cpu调度策略与schedule调度函数

Posted 2022-06-17 PacosonSWJTU

【README】

1.本文内容总结自 B站 《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

2.cpu调度： 指的是 cpu从就绪队列中选择一个进程来执行；选择哪一个进程是调度算法的执行结果；

3. 相关定义：

• 响应时间：从用户操作发生到程序响应的等待时间；
• 吞吐量：cpu在单位时间内完成的任务量；
• 周转时间： 从进程提交到进程完成的时间间隔；

4.4种调度算法列表（非常重要*）：

• 先来先服务 FCFS；
• 短作业优先 SJF；
• 时间片轮转调度 RR-RoundRobin算法；
• 优先级调度；

---

【1】cpu调度策略

【1.1】多进程图像与cpu调度

1）问题： 进程pid1执行阻塞，应该切换到 pid2 还是pid3执行，这就需要调度算法来决定了；

---

【1.2】调度策略

1）调度策略：FIFO，优先级 ；
2）调度算法应该满足进程正常运行条件：

• 尽快结束任务： 周转时间（从任务进入到任务结束）短；
• 用户操作尽快响应： 响应时间（从操作发生到响应）短；
• 系统内耗时间少：吞吐量（cpu单位时间完成的任务量）；

3）总原则：系统专注于任务执行， 又能合理调配任务；
4）如何做到合理？ 需要折中，综合考虑

吞吐量与响应时间之间的矛盾；

• 响应时间小 =》 切换次数多  =》 系统内耗大 =》 吞吐量小 ；即响应时间短与吞吐量大两者不可兼得；
• 响应时间，指的是 用户敲键盘到键盘响应的时间；

【例】敲键盘

• 用户在程序1中敲键盘那个时刻，cpu刚好切换到其他程序2执行，程序2执行若干时间片又切回程序1，这时程序1才响应键盘中断，从切出来到切回来这段时间叫做响应时间（或指的是从操作发生到程序响应的用户等待时间）；
• 要想响应时间小，即程序的cpu时间片减少（下图程序2的执行时间要少），那切换次数就要多；
• 切换次数越多， 切换成本越高（如栈切换，tss切换），即系统内耗大，进而导致吞吐量小；

 

                                     图 敲键盘的响应时间

5）任务类型

• 5.1）IO密集型任务： 程序需要执行计算与IO工作；
• 5.2）CPU密集型任务：仅执行计算工作； 

---

【1.3】cpu调度算法*

4种调度算法列表（非常重要*）：

• 先来先服务 FCFS；
• 短作业优先 SJF；
• 时间片轮转调度 RR-RoundRobin算法；
• 优先级调度；

【1.3.1】调度算法1：先来先服务-FCFS

 first come， first served

图解：

• 调度策略1： P1, P2, P3, P4, P5；平均周转时间为 (10+39+42+49+61) / 5 = 40.2
• 调度策略2： P1, P3, P2, P4, P5；平均周转时间为 (10+13+42+49+61)/5= 35

策略1与策略2的区别在于：

•  策略2把短作业 P3 放在了P2的前面，可以理解为 短作业优先；

先来先服务的调度算法比较基础； 

---

【1.3.2】调度算法2-短作业优先SJF

1.短作业优先，SJF，short job first ，减少周转时间（最小化平均周转时间）；

P1+(p1+p2) + (p1+p2+p3) + … = ∑(n+1-i)Pi = n*p1 + (n-1)p2 + ……
为了使结果越小，又n最大，所以p1应该取最小，p2次之,......；
2）短作业优先的问题：

• 短作业优先调度算法，把耗时短的作业提前，耗时长的作业放后面，会导致耗时长的作业的响应时间过长，用户体验不好； 

---

【1.3.3】调度算法3-时间片轮转调度（RR）

1）时间片轮转调度：按照时间片轮转调度（Round-Robin轮转调度算法）；

---

【1.3.4】 调度算法4-优先级调度

1）响应时间和周转时间同时需要考虑，怎么办 ？

• 如 word关心响应时间， gcc编译器关心周转时间，两类任务同时存在，应该怎么办？

2）任务类型

• 前台任务： IO密集型任务，如word；
• 后台任务： 计算密集型任务，如gcc编译器；

3）把前台任务链接到队列1，后台任务链接到队列2；
4）优先级调度细节：

• 前台任务队列（队列1）采用短作业优先策略，优先级高；
• 后台任务采用轮转调度，优先级低；

 5）优先级调度算法的问题

• 如果前台任务一直存在的话，后台任务可能一直都没有机会被cpu执行，后台任务饥饿；
• 如果后台任务优先级被动态升高，则会影响前台任务的执行，前台任务响应时间又会增加；
• 此外，操作系统如何知道 哪些是前台任务（io密集型任务），哪些是后台任务（计算密集型任务）？ 

6）解决方法

• 以轮转调度为核心，短作业优先级高于长作业； 

---

【2】一个实际的 schedule函数 （调度算法）

【2.1】linux0.11的调度函数 schedule()

1）schedule()函数源码

// 操作系统进程调度函数源码  
void schedule() 

	while(1) 
		c = -1;
		next = 0; 
		i = NR_TASKS;
		p = &task[NR_TASKS];
		while(--i) 
			// TASK_RUNNING 就是 就绪 
			if (*p->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c)
				c = (*p) -> counter, next = i; 
		
		
		// 若c不等于0，则找到了最大的counter，结束循环，跑去 switch_to 执行  
		// 基于 counter实现了优先级调度，且counter作为时间片，进行了轮转调度  
		if (c) break; 
		
		// counter等于0 ，执行到这里，表示所有就绪态进程的时间片都用完了 
		// 遍历所有进程 
		for ( p = &LAST_TASK; p > &FIRST_TASK; --p ) 
			// 就绪态进程的 时间片恢复到初值（优先级）；
			// 阻塞态进程的 时间片设置为 时间片一半，加上初值（优先级），这个值在增加； 
			(*p)->counter =  ( (*p)->counter >> 1 ) + (*p)->priority; 
				
	 
	// 切换到next进程 
	switch_to(next); 

2）counter的作用
作用1：时间片；

• 每次时钟中断发生时，counter都会自减1（时钟中断时，当前进程的counter时间片减去1，然后再切换出去；因为当前counter减1，所以它不是最大的，所以下一次轮转调度不会选择上一个同样的进程）；
  1. 当 counter 不等于0，则调度到其他进程；典型的时间片轮转算法；
  2. 当 counter 等于0，则表明所有就绪进程时间片用完（注意是就绪态进程，不是所有进程的时间片都用完），需要重新初始化时间片（包括初始化就绪进程时间片，增大阻塞进程时间片）；

作用2： 优先级；

• 参见上文中 schedule()函数源码中的以下代码： 

(*p)->counter =  ( (*p)->counter >> 1 ) + (*p)->priority;

counter代表的优先级可以动态调整；
阻塞的进程在就绪后，优先级高于非阻塞进程，因为

// 阻塞进程的counter值在增加 
(*p)->counter =  ( (*p)->counter >> 1 ) + (*p)->priority; 

 所以io密集型进程的优先级会高于计算密集型进程的优先级；其中io密集型是前台进程的特征；

---

【2.2】counter作用小结

1） Counter保证了响应时间的界，因为按照下面重置counter时间片的算法，其最大值为2p；

// 阻塞进程的counter值在增加
// 下面的算法是一个递增函数，即阻塞时间越长，counter被重置次数越多；
(*p)->counter =  ( (*p)->counter >> 1 ) + (*p)->priority; 

2）经过io后，counter会变大；io时间越长，counter时间片越大，照顾了io进程，或前台进程；
3）后台进程一直按照 counter轮转，近似 SJF 短作业优先调度算法；
4）每个进程只用维护一个 counter变量，简单，高效； 

5）cpu调度：

• 一个简单的算法折中了大多数任务需求，这就是实际工作的 schedule函数；