处理器的调度——操作系统笔记

一、调度的概念、层次

  当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题。

  调度的三个层次：高级调度、中级调度、低级调度。

1、高级调度

  高级调度（作业调度）：按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个（或多个）作业，给他们分配内存等必要资源，并建立相应的进程(建立 PCB)，以使它(们)获得竞争处理机的权利。

  高级调度是辅存（外存）与内存之间的调度。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立相应的 PCB，作业调出时才撤销 PCB。高级调度主要是指调入的问题，因为只有调入的时机需要操作系统来确定，但调出的时机必然是作业运行结束才调出。

2、中级调度

  引入了虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且内存又稍有空闲时，再重新调入内存。这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。（PCB 不会被调到外存，但被挂起进程的 PCB 会被放到挂起队列中）

  中级调度（内存调度）：决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。

（1）进程的挂起态与七状态模型

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

七状态模型

3、低级调度

  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，将处理机分配给它。进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。

4、三层调度的联系、对比

调度层次	要做什么	调度发生在	发生频率	对进程状态的影响
高级调度（作业调度）	从后备队列中选择作业将其调入内存，并为其创建进程	外存与内存（面向作业）	最低	无→创建态→就绪态
中级调度（内存调度）	从挂起队列中选择进程将其数据调回内存	外存与内存（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）	从就绪队列中选择进程为其分配处理机	内存与CPU	最高	就绪态→运行态

5、总结

二、进程调度的时机、方式、切换与过程

1、进程调度的时机

  进程调度（低级调度），就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机。

需要进行进程调度与切换的情况：

• 当前运行的进程主动放弃处理机；
  • 进程正常终止；
  • 运行过程中发生异常而终止；
  • 进程主动请求阻塞（如：等待 I/O）；
• 当前运行的进程被动放弃处理机；
  • 分给进程的时间片用完；
  • 有更紧急的事需要处理（如：I/O 中断）；
  • 有更高优先级的进程进入就绪队列。

不能进行进程调度与切换的情况：

1. 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。
2. 进程在操作系统内核程序临界区中。（但是进程在普通临界区中是可以进行调度、切换的）
3. 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）。

（1）判断题

• 进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换。（√）
• （2012年联考真题）进程处于临界区时不能进行处理机调度。（×）

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）如果不尽快释放的话，极有可能影响到操作系统内核的其他管理工作。因此在访问内核程序临界区期间不能进行调度与切换。

  ”普通临界区”访问的临界资源不会直接影响操作系统内核的管理工作（比如：打印机）。因此在访问普通临界区时可以进行调度与切换，否则会造成 CPU 资源浪费。

2、进程调度的方式

  非剥夺调度方式（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（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。

3、进程的切换与过程

  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。（这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程， 也可能是另一个进程，后一种情况就需要进程切换）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。

注意：进程切换是有代价的，因此如果过于频繁的进行进程调度、切换，必然会使整个系统的效率降低，使系统大部分时间都花在了进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少。

4、总结

三、调度算法的评价指标

1、CPU利用率

  CPU利用率：指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例。即 $利用率 = 忙碌的时间/总时间$。

例题：某计算机只支持单道程序，某个作业刚开始需要在 CPU 上运行 5 秒，再用打印机打印输出 5 秒，之后再执行 5 秒，才能结束。在此过程中， CPU 利用率、打印机利用率分别是多少？

• CPU利用率：$(5+5)/(5+5+5)=66.66 %$
• 打印机利用率：$5/15=33.33%$

2、系统吞吐量

  系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量。即 $系统吞吐量=总共完成了多少道作业/总共花了多少时间$。

例题：某计算机系统处理完10道作业，共花费100秒，则系统吞吐量为？

$10/100=0.1 道/秒$

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。

$周转时间=作业完成时间-作业提交时间$

$平均周转时间=各作业周转时间之和/作业数$

带权周转时间

  对于用户来说，更关心自己的单个作业的周转时间；对于操作系统来说，更关心系统的整体表现，因此更关心所有作业周转时间的平均值。有的作业运行时间短，有的作业运行时间长，因此在周转时间相同的情况下，运行时间不同的作业，给用户的感觉肯定是不一样的。

  对于周转时间相同的两个作业，实际运行时间长的作业在相同时间内被服务的时间更多，带权周转时间更小，用户满意度更高。对于实际运行时间相同的两个作业，周转时间短的带权周转时间更小，用户满意度更高。（带权周转时间与周转时间都是越小越好）

$带权周转时间=作业周转时间/作业实际运行时间=(作业完成时间-作业提交时间)/作业实际运行的时间$

$平均带权周转时间=各作业带权周转时间之和/作业数$

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。

5、响应时间

  响应时间，指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。

6、总结

四、调度算法

1、先来先服务（FCFS）

2、最短作业优先（SJF）

（1）短进程优先调度算法（SPF）

  非抢占式的短作业优先算法又称短进程优先调度算法。

（2）最短剩余时间优先算法（SRTN）

  抢占式的短作业优先算法又称最短剩余时间优先算法。每当有进程加入就绪队列改变时就需要调度，如果新到达的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短，则由新进程抢占处理机，当前运行进程重新回到就绪队列。另外，当一个进程完成时也需要调度。

3、最高响应比优先（HRRN）

  FCFS 算法是在每次调度的时候选择一个等待时间最长的作业（进程）为其服务。但是没有考虑到作业的运行时间，因此导致了对短作业不友好的问题。

  SJF 算法是选择一个执行时间最短的作业为其服务。但是又完全不考虑各个作业的等待时间，因此导致了对长作业不友好的问题，甚至还会造成饥饿问题。

  能不能设计一个算法，即考虑到各个作业的等待时间，也能兼顾运行时间呢？高响应比优先算法。

4、三者区别

  这几种算法主要关心对用户的公平性、平均周转时间、平均等待时间等评价系统整体性能的指标，但是不关心“响应时间”，也并不区分任务的紧急程度，因此对于用户来说，交互性很糟糕。因此这三种算法一般适合用于早期的批处理系统。（FCFS算法常结合其他的算法使用）

算法	可抢占？	优点	缺点	考虑的问题	饥饿
FCFS	非抢占式	公平，实现简单	对短作业不利	等待时间 √ 运行时间 ×	不会
SJF	非抢占式 /抢占式	最短的 平均等待/周转时间	对长作业不利	等待时间 × 运行时间 √	会
HRRN	非抢占式	上述两种算法的权衡折中	无	等待时间 √ 运行时间 √	不会

5、时间片轮转（RR）

  时间片轮转调度算法常用于分时操作系统，更注重“响应时间”，因而此处不计算周转时间。

时间片大小为 2

时间片大小为 5

  一般来说，设计时间片时要让切换进程的开销占比不超过 1%。

6、优先级调度

补充

  优先级调度算法就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织。另外，也可以把优先级高的进程排在更靠近队头的位置。根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级两种。

• 静态优先级：创建进程时确定，之后一直不变。
• 动态优先级：创建进程时有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级。

如何合理地设置各类进程的优先级？

  通常系统进程优先级高于用户进程；前台进程优先级高于后台进程；操作系统更偏好 I/O 型进程（或称 I/O 繁忙型进程）。因为 I/O 设备和 CPU 可以 并行工作。如果优先让 I/O 繁忙型进程优先运行的话，则越有可能让 I/O 设备尽早地投入工作，则资源利用率、系统吞吐量都会得到提升。

如果采用的是动态优先级，什么时候应该调整？

  可以从追求公平、提升资源利用率等角度考虑。如果某进程在就绪队列中等待了很长时间，则可以适当提升其优先级。如果某进程占用处理机运行了很长时间，则可适当降低其优先级。如果发现一个进程频繁地进行 I/O 操作，则可适当提升其优先级。

非抢占式

抢占式

  每次调度时选择当前已到达且优先级最高的进程。当前进程主动放弃处理机时发生调度。另外，当就绪队列发生改变时也需要检查是会发生抢占。

7、多级反馈队列

8、三者区别

  交互式操作系统（包括分时操作系统、实时操作系统等）更注重系统的响应时间、公平性、平衡性等指标。而这几种算法恰好也能较好地满足交互式系统的需求。因此这三种算法适合用于交互式系统。（比如UNIX使用的就是多级反馈队列调度算法）

算法	可抢占？	优点	缺点	饥饿
时间片轮转	抢占式	公平， 适用于分时系统	频繁切换有开销， 不区分优先级	不会
优先级调度	非抢占式 /抢占式	区分优先级， 适用于实时系统	可能导致饥饿	会
多级反馈队列	抢占式	平衡优秀	一般不说它有缺点， 不过可能导致饥饿	会