CPU调度 操作系统笔记整理系列

Posted 2022-12-04 雨宙

CPU调度

CPU调度是多道程序操作系统的基础

基本概念

1. 多道程序的目标是，始终允许某个进程运行以最大化CPU利用率
2. 当一个进程等待时，操作系统就从该进程接管CPU控制，并将CPU交给另一进程，这种方式不断重复
3. CPU-I/O执行周期：进程执行由一个CPU执行周期和I/O等待组成。
4. CPU调度程序：CPU调度程序（或短期调度程序）从内存中准备执行的进程中选择一个进程，并将CPU分配给它
   （1）短期调度程序必须经常为CPU选择一个进程
   （2）由于执行间隔时间很多，所以短期调度程序必须速度快
   （3）需要进行CPU调度的情况可分为以下四种：
   a. 当一个进程从运行状态切换到等待状态（I/O请求）
   b. 当一个进程从运行状态切换到准备状态（发生中断）
   c. 当一个进程从等待状态切换到准备状态（I/O完成）
   d. 当一个进程终止时
   如果调度只能发生在第一种和第四种情况下，则调度方案为非抢占的，否则，调度方案为抢占的
5. 在非抢占调度下，一旦某个进程分配到CPU，该进程就会一直使用CPU，直到它终止或切换到等待状态
   
6. 调度程序：调度程序是一个模块，用来将CPU控制交给由短期调度程序选择的进程，功能包括：
   （1）切换上下文
   （2）切换到用户模式
   （3）跳转到用户程序的合适位置，以便程序重新启动
7. 调度程序延迟：调度程序停止一个进程并启动另一个进程所花费的时间

调度准则

CPU利用率
吞吐量：一定时间完成进程数量
周转时间：在ready队列等待时间+CPU上跑的时间 另一种说法：从进程提交到进程完成的时间
等待时间：在ready队列等待时间
响应时间：从提交请求到产生第一响应的时间
最大化CPU利用率、最大化吞吐量、最小化周转时间、最小化等待时间、最小化响应时间

调度算法

FCFS算法（先到先服务调度）

1. 核心思想：先到先服务
2. FCFS是最简单的CPU调度算法，首先请求CPU的进程被优先分配CPU
3. FCFS策略可以通过FIFO队列容易地实现，当一个进程进入ready队列，它的PCB链接到队列的尾部，当CPU空闲时，它被分配给队列头部的进程
4. 护航效果：其他进程都等待一个大进程释放CPU

SJF算法（最短作业优先调度）

1. 当CPU变为空闲时，它会被赋给具有最短CPU执行的进程，如果两个进程具有同样长度的CPU执行，那么可以由FCFS算法来处理
2. SJF算法的真正困难是如何知道下次CPU执行的长度，对于批处理系统的长期调度，可以将用户提交作业时指定的进程时限作为长度，对于短期调度，没有办法知道长度，只能通过计算近似值来预测其值
3. 利用以前的CPU执行来预测下一个CPU执行
4. SJF调度有两种方案，分别是非抢占和抢占。
   （1）非抢占：一旦将CPU分配给进程，它就不能被抢占，直到完成CPU执行
   （2）抢占：如果一个新进程到达CPU时CPU执行长度小于当前执行进程的剩余时间，则抢占，这种方案被称为最短剩余时间优先（SRTF）
   
5. SJF是最优的，为一组给定的进程提供最小的平均等待时间

优先级调度

1. 每个进程都有一个优先级与其关联，CPU被分配给具有最高优先级的进程，一般来说，数越小优先级越高
2. 优先级调度可以是抢占的或非抢占的，当一个进程达到ready队列时，比较它的优先级与当前运行进程的优先级，如果新到达进程的优先级高于当前运行进程的优先级，那么抢占优先级调度算法就会抢占CPU
3. SJF是特殊的优先级调度算法
4. 缺点：饥饿，低优先级的进程可能永远不会执行，可以用老化的方法解决，逐渐增加在系统中等待时间很长的进程的优先级

轮转调度（Round Robin）

1. 每个进程得到一个很小的CPU时间单位，通常是10到100毫秒
2. 保持ready队列作为进程的FIFO队列，新进程被添加到ready队列的尾部，CPU调度程序从ready队列中选择第一个进程，将定时器设置在一个时间片后中断，最后分派这个进程
3. 进程可能只需少于时间片的CPU执行，在这种情况下，进程本身自动释放CPU
4. 进程需要多余一个时间片的CPU执行，那么一个时间片后，定时器中断，进而中断操作系统，然后进行上下文切换，再将进程添加到ready队列的尾部，接着CPU调度程序会选择ready队列内的下一个进程
5. 时间片需大于上下文切换时间