操作系统第六章

25
上下文切换开销与周转时间
切换开销
周转时间
26
多级队列调度
就绪队列分成几个相对独立的队列 – 前台（或交互式） – 后台（或批处理）
每个队列有自己的调度算法 – 前台：RR – 后台：FCFS
队列之间必须有调度 – 通常采用固定优先权可抢占调度来实现。 – 另一种 可能是在队列之间划分时间片。每个队列都有一定的CPU 时间，这可用于调度队列内的不同进程 • 20％给后台，80％给前台
内核kernel
将系统的一些关键性程序分离出来构成操作系统内 核 .内核必须完成下面的一些任务：
管理对文件系统的读写，把对文件系统的操作映 射成对磁盘或其他块设备的操作
管理程序的运行，为程序分配资源，并且处理程 序之间的通讯
软实时系统： – 要保证关键进程拥有比其他进程更高的优先权 – 要求仔细设计调度程序和操作系统有关方面。
• 第一、系统必须有优先权调度，且实时进程必须有最高的优先权。实时进程 的优先权不能随时间而下降，尽管非实时进程的优先权可以。
– 实时进程不应该老化
• 第二、分派延迟必须小。
– 内核抢占
33
分派延迟
27
多级队列调度示意图
28
多级反馈队列调度
进程可以在不同队列间移动 通常，多级反馈队列调度程序可由下列参数来定
义：
– 队列数量 – 每个队列的调度算法 – 用以确定进程何时升级到较高优先权队列的方法 – 用以确定进程何时降级到较低优先权队列的方法 – 用以确定进程在需要服务时应进入哪个队列的方法
scheduling）
12
先来先服务调度（FCFS）
进程 P1 P2 P3
区间时间 24 3 3
假设进程按P1、P2、P3的顺序到达。则该调度的Gantt图如下：
等待时间：P1 = 0; P2 = 24; P3 = 27 平均等待时间： (0 + 24 + 27) / 3 = 17
13
改变
37
Operating System Examples
Solaris scheduling Windows XP scheduling Linux scheduling
38
Solaris 2 Scheduling
39
Solaris Dispatch Table
Multilevel feedback queue for the Interactive and time‐ sharing class
30
多级反馈队列示意图
31
6.4 多处理器调度
多处理器调度问题更复杂 主要讨论处理器功能相同的系统。 负载分配（Load Sharing） 非对称多道程序：只有一个处理器访问系统数据
结构，减轻了数据共享的需要。
32
6.5 实时调度
硬实时系统： – 需要在保证的时间内完成关键任务 – 在提交进程时，同时有一条语句告诉系统用来完成或执行I/O所需要的时 间。接着，调度程序或者允许进程并保证进程能按时完成，或者因不可 能而拒绝请求。（资源预约）
间的测量长度的指数平均
19
下一个CPU区间长度的预测
20
指数平均计算的实例
21
优先级调度（Priority Scheduling）
每个进程被赋予一个优先级数字（优先权） SJF是一种特定的优先权调度方法 CPU分配给优先权高的进程（优先级数字越小，则优先权越大）
– 抢占式 – 非抢占式 该算法存在的问题：饥饿（starvation） – 低优先权的进程可能永远无法执行 解决办法：老化（aging） – 随着时间的推进，进程的优先权逐渐提高
性能依赖于时间片的大小 – 如果时间片非常大（无限），那么RR策略与FCFS策略一样。 – 如果时间片很小，那么RR方法称处理器共享。n个进程对于用户来说都有 它自己的处理器，速度各为真正处理器速度的1/n
• q必须大于上下文切换所需时间
23
Round Robin (RR)
时间片＝20时的RR实例
40
Windows XP Priorities
41
Linux调度
两种算法：分时与实时 分时
– 基于信用度的算法 （信用=信用/2 + 优先级） – 信用度随着定时器中断的发生而降低 – 当可运行进程的信用度都为0的时候，则对所有进程重新计算信用
度 • 这种算法似乎混合了两个因素：进程历史和它的优先级
29
多级反馈队列调度的实例
三个队列 – Q0：时间片为8毫秒 – Q1：时间片为16毫秒 – Q2：FCFS
调度 – 进入就绪队列的进程被放在队列Q0内。队列0的每个进程都有8ms 的时间片。如果一个进程不能在这一时间内完成，那么它就被移 到队列1的尾部。 – 如果队列0为空，队列1头部进程会得到一个16ms的时间片。如果 它不能完成，那么它将被抢占，并被放到队列2中。 – 只有当队0和队1为空时，队列2内的进程才可根据FCFS来运行。
35
通过模拟来评估CPU调度算法
36
实现
即使模拟其精确度也是有限的。针对评估调度算 法，惟一完全精确的方法是对它进行程序编码， 将其放在操作系统内，并观测它如何工作。
主要困难是这种方法的代价
– 对算法编码、修改操作系统以支持该算法 – 用户对不断变化的操作系统的反应
另一困难是算法所使用的环境会变化 最为灵活的调度算法可以为系统管理员或用户所
SJF是最佳的：对于给定的一组进程，SJF算法的平均等待时间最小。
15
Example of Non‐Preemptive SJF
Process Arrival Time
P1
0.0
P2
2.0
P3
4.0
P4
5.0
SJF (non‐preemptive)
Burst Time 7 4 1 4
P1
P3
分派延迟（dispatch latency） － 分派程序停止一个进 程而启动另一个进程执行所要花费的时间。
9
6.2 调度准则（Scheduling Criteria）
CPU使用率：
– 使CPU尽可能忙
吞吐量（Throughput）：
– 单位时间完成进程的数量
周转时间（Turnaround time）：
14
最短作业优先调度(Shortest‐Job‐First, SJR)
将每个进程与其下一个CPU区间段相关联。当CPU为可用时，它会赋 给具有最短后续CPU区间的进程。如果两个进程具有同样长度的CPU 区间，那么可以使用FCFS调度来处理。
两种方式 – 非抢占式：一旦进程获得CPU就一直占据CPU，直到其CPU区间完 成为止 – 抢占式：如果一个新来的进程其CPU区间小于当前进程的CPU区 间，则抢占之。这种调度方式称为最短剩余时间作业优先 （Shortest Remaining Time First, SRTF）
– 从进程提交到进程完成的时间间隔称为周转时间
等待时间（Waiting time）：
– 是在就绪队列中等待所花时间之和。
响应时间（Response time）：
– 从提交请求到产生第一响应的时间。
10
优化准则（Optimization Criteria）
最大化CPU使用率 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
当调度只能发生在第一和第四两种情况时，称调度方法是非抢占的 （nonpreemptive）
否则调度方案就是可抢占（preemptive）的。
8
分派程序（Dispatcher）
分派程序是一个模块，用来将CPU的控制交给由短期 调度程序所选择的进程。其功能包括
– 切换上下文 – 切换到用户模式 – 跳转到用户程序的合适位置以重新启动这个程序
7 55 5 55
4 42 2
1
1
4
44
P1
P2 P3 P2
P4
P1
02
45
7
Байду номын сангаас
11
16
Average waiting time = (9 + 1 + 0 +2)/4 = 3
预见未来
未来 历史
18
确定下一CPU区间的长度
只能估计CPU区间的长度，无法精确计算 下一CPU区间的长度通常可预测为以前CPU区
6
什么时候调度？
记得我们的原则：让CPU不停忙、公平做有用 功、考虑轻重缓急
剥夺 CPU
让出 CPU
可能 剥夺 别的 CPU
让出 CPU
CPU调度程序
调度程序从内存中就绪可执行的进程里选择一个，并为其中之一分 配CPU。
CPU调度决策可以如下四种情况下发生 1. 当一个进程从运行状态切换到等待状态 2. 当一个进程从运行状态切换到就绪状态 3. 当一个进程从等待状态切换到就绪状态 4. 当一个进程终止时。
11
6.3 调度算法
先到先服务调度（First Come, First Served, FCFS） 最短作业优先调度（Shortest‐Job‐First, SJR） 优先权调度（Priority Scheduling） 轮转法调度（Round Robin, RR） 多级队列调度（multilevel queue‐scheduling） 多级反馈队列调度（multilevel feedback queue
假设进程按P2, P3, P1的顺序到来，则其调度的Gannt图如下
等待时间：P1 = 6; P2 = 0; P3 = 3 平均等待时间： (6 + 0 + 3) / 3 = 3 优于前一种情况 由于所有其他进程都等待一个大进程释放CPU，就会产