3第三章_cpu调度

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高级(作业)调度
作业控制块JCB(Job Control Block)：为了管理和调度作业，在多 道批处理系统中为每个作业设置了一个作业控制块，它是作业在 系统中存在的标志，其中保存了系统对作业进行管理和调度所需 的全部信息。 （作业标识、作业类型、作业状态、调度信息、资源需求进入、 开始、完成、退出时间等） 作业调度：根据作业控制块中的信息，审查系统能否满足用户 作业的资源需求，以及按照一定的算法，从外存的后备队列中选 取某些作业调入内存，并为它们创建进程、分配必要的资源。然 后再将新创建的进程插入就绪队列，准备执行。
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低级(进程)调度
通常也把低级调度(Low Level Scheduling)称为 进程调度或短程调度(Short Term Scheduling)，它 所调度的对象是进程(或内核级线程)。 进程调度是最基本的一种调度，在多道批处 理、分时和实时三种类型的OS中，都必须配置 这级调度。（重点）
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
高优先级优先调度算法
为了照顾紧迫型作业， 使之在进入系统后便获得 优先处理， 引入了最高优先级优先调度算法。 1）当把该算法用于作业调度时，系统将从后备队 列中选择一个或若干个优先级最高的作业装入内存； 2）当用于进程调度时，该算法是把处理机分配给 就绪队列中优先级最高的进程。
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高优先级优先调度算法
(1) 任务在给定的时间片内已经完成，该进程便在释放处理机后进入完成状态；
(2) 任务在本次分得的时间片内尚未完成，OS便将该任务再放入就绪队列的末尾；
(3) 在执行期间，进程因为某事件而被阻塞后，被OS放入阻塞队列。
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高级和低级调度的调度队列模型
从外存的后备队列中选择一批作业调入内存，并为它们建立进 程，送入就绪队列，然后才由进程调度按照一定的进程调度算法选 择一个进程，把处理机分配给该进程。 流程图：
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高优先级优先调度算法
优先级的类型：
（1）动态优先级 （2）静态优先级
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高优先级优先调度算法
1）静态优先级（重点）
静态优先权是在创建进程时确定的，且在进程的整个运 行期间保持不变，一般用0～7 或 0～255中的某一整数来表示。 优先级的确立，主要参考以下几种依据：
(1) 进程类型。通常，系统进程(如接收进程、对换进程、磁 盘 I/O 进程)的优先级高于一般用户进程的优先级。 (2) 进程对资源的需求。如进程的估计执行时间及内存需要 量的多少，对这些要求少的进程应赋予较高的优先级。 (3) 用户要求。这是由用户进程的紧迫程度及用户所付费用 的多少来确定优先级的。
3）把处理器分配给进程：由分派程序(Dispatcher)把处理器 分配给进程。通常是先恢复处理现场，装入相关数据到寄存器， 取出断点继续执行。
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中级调度
又称中程调度(Medium-Term Scheduling)，那些暂时不能运行 的进程不再占用宝贵的内存资源，而将它们调至外存上去等待， 把此时的进程状态称为就绪驻外存状态或挂起状态。当内存稍有 空闲时，由中级调度来决定把外存上的那些又具备运行条件的就 绪进程重新调入内存，并修改其状态为就绪状态，挂在就绪队列 上等待进程调度。（非重点） 目的：提高内存利用率和系统吞吐量 随着CPU的发展，上述这些调度方式，逐渐形成了一定规模的 各种调度模型！
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基本概念
CPU-I/O区间周期
CPU调度程序 分派程序
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CPU调度准则(目标)
处理机利用率高 系统吞吐量高
周转时间短
响应时间快
截止时间的保证
优先权准则 各类资源的平衡利用
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CPU调度层次
高级(作业)调度
中级调度 低级(进程)调度
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高级(作业)调度
又称为作业调度或长程调度(Long Term Scheduling)， 其主 要功能是根据某种算法，把外存上处于后备队列中的那些作 业调入内存，也就是说，它的调度对象是作业。
作业：作业是一个比程序更为广泛的概念，它不仅包含了通常的程序和 数据，而且还应配有一份作业说明书，系统根据该说明书来对程序的运 行进行控制 作业步：通常，在作业运行期间，每个作业都必须经过若干个相对独立， 又相互关联的顺序加工步骤才能得到结果，我们把其中的每一个加工步 骤称为一个作业步，各作业步之间存在着相互联系，往往是把上一个作 业步的输出作为下一个作业步的输入。 作业流：若干个作业进入系统后，被依次存放在外存上，这便形成了输 入的作业流；在操作系统的控制下，逐个作业进行处理，于是便形成了 处理作业流。
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低级(进程)调度
进程调度方式:
抢占方式(Preemptive Mode)：允许调度程序根据某种原则 去暂停某个正在执行的进程，将已分配给该进程的处理机重新 分配给另一进程。 优点：防止长时间占用处理器，公平，满足实时要求； 缺点：开销较大。
那么，采用进程调度，是要达到什么样的效果呢？
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低级(进程)调度
多级队列调度算法
多级反馈队列调度
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先到先服务调度（FCFS）算法
先来先服务(FCFS)调度算法是一种最简单的调度算法，该算 法既可用于作业调度，也可用于进程调度。 1）当在作业调度中采用该算法时，每次调度都是从后备作 业队列中选择一个或多个最先进入该队列的作业，将它们调入内 存，为它们分配资源、创建进程，然后放入就绪队列。 2）在进程调度中采用 FCFS算法时，则每次调度是从就绪队 列中选择一个最先进入该队列的进程，为之分配处理机，使之投 入运行。该进程一直运行到完成或发生某事件而阻塞后才放弃处 理机。 示例：已知A、B、C、D四种进程业分别到达系统的时间和要 求服务的时间，计算它们开始执行的时间及各自的完成时间， 并计算出各自的周转时间和带权周转时间。
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先到先服务调度（FCFS）算法
进程处理顺序：
A
B 1
0
C 101 102
D 202
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先到先服务调度（FCFS）算法
由示例和定义分析、总结： FCFS算法是非抢占式的，短作业C的带权周转时间高达 100，而长作业 D 的带权周转时间仅为1.99，由此可知， FCFS 调度算法有利于 CPU 繁忙型的作业，而不利于 I/O 繁忙型的作业(进程)，而目前的大多数事务处理都属于 I/O 繁忙型作业（进程），如何解决这个问题呢？
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调度模型
低级(进程)调度的调度队列模型(重点)
高级(作业)和低级(进程)调度的调度队 列模型 三级调度的调度队列模型
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进程调度的调度队列模型(重点)
处于就绪状态的进程组织成栈、树或一个无序链表等，至于到 底采用其中哪种形式，则与OS类型和所采用的调度算法有关。
流程图：
由图分析，发现进程在执行时都可能出现以下三种情况：
该算法主要有以下几种方式：
（1）非抢占式优先级算法
在这种调度方式下，系统一旦把处理机分配给就绪队列中 优先级最高的进程后，该进程就能一直执行下去，直至完成； 或因等待某事件的发生使该进程不得不放弃处理机时，系统才 能将处理机分配给另一个优先级高的就绪进程。 （2）抢占式优先级算法
系统把处理机分配给优先级最高的进程，使之执行。但在 其执行期间，一旦出现一个优先级更高的就绪进程，进程调度 程序就立即停止当前进程(原优先级最高的进程)的执行，重新将 处理机分配给新到的优先级最高的进程。
各个兵种是什么？
指挥作战的人是什么？ 何为兵法？
作业或进程 处理器（CPU）
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追踪问题
CPU是什么
是一块超大规模的集成电路，是一台计 算机的运算核心和控制核心。
CPU干什么
按某种算法，动态地把处理机（CPU） 分配给就绪队列中的一个进程，使之执行。
提出问题：CPU如何去调度某个进程？
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CPU 调度
由图分析，和进程调度模型比较，发现有两个方面不同：
(1) 就绪队列的形式。 在批处理系统中， 最常用的是最高优先权优先调度算法， 相应地，最常用的就绪队列形式是优先权队列； (2) 设置多个阻塞队列。当系统较大时，若仍只有一个阻塞队列，其长度必然会 很长，队列中的进程数可以达到数百个，这将严重影响对阻塞队列操作的效率。
低级(进程)调度
进程调度中的三个基本机制：
排队器：为了提高进程调度的效率，应事先将系统中所有的 就绪进程按照一定的方式排成一个或多个队列，以便调度程序能 最快地找到它。 分派器：把由进程调度程序所选定的进程，从就绪队列中取 出该进程，然后进行上下文切换，将处理机分配给它。 上下文切换机制：当对处理机进行切换时，会发生两对上下 文切换操作。在第一对上下文切换时，操作系统将保存当前进程 的上下文，而装入分派程序的上下文，以便分派程序运行；在第 二对上下文切换时，将移出分派程序，而把新选进程的CPU现场 信息装入到处理机的各个相应寄存器中。
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低级(进程)调度
进程调度方式:
非抢占方式(Non-preemptive Mode)：在采用这种调度方式 时，一旦把处理机分配给某进程后，不管它要运行多长时间， 都一直让它运行下去，决不会因为时钟中断等原因而抢占正在 运行进程的处理机，也不允许其它进程抢占已经分配给它的处 理机。直至该进程完成，自愿释放处理机，或发生某事件而被 阻塞时，才再把处理机分配给其他进程。 优点：实现简单，系统开销小，适用于大多数的批处理系统环境； 缺点：不能立即执行，不适合实时系统等。
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三级调度的调度队列模型
当在 OS 中引入中级调度后，把进程的就绪状态分为内存就 绪(表示进程在内存中就绪)和外存就绪(进程在外存中就绪)。在 中级调度的作用下，可使外存就绪转为内存就绪。（非重点） 流程图：
上述模型中，内部是如何调度相关的进程呢？
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调度算法
先到先服务调度（FCFS）算法 最短作业优先调度（SJ(P)F） 高优先级优先调度算法 轮转法调度
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最短作业优先调度（SJ(P)F）
短作业(进程)优先调度算法SJ(P)F，是指对短作业或短 进程优先调度的算法。它们可以分别用于作业调度和进程 调度。 1）短作业优先(SJF)的调度算法是从后备队列中选择一 个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运 行。 2）短进程优先(SPF)调度算法则是从就绪队列中选出一 个估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它，使它立 即执行并一直执行到完成，或发生某事件而被阻塞放弃处 理机时再重新调度。 示例：已知A、B、C、D、E五种进程分别到达系统的时间 和要求服务的时间，比较这五个进程分别采用FCFS算法和 SJF算法进行调度的执行结果。
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最短作业优先调度（SJ(P)F）
SJF调度，进程的处理顺序： A D B 6 9
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E 13
C 18
0
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最短作业优先调度（SJ(P)F）
由示例和定义分析、总结： SJ(P)F调度算法可能是抢占式的或非抢占式的，相 对于FCFS调度算法，能有效降低作业的平均等待时 间，提高系统吞吐量，但是，并没有考虑到作业或 进程的紧迫程度，不能保证紧迫型作业（进程）的 及时处理
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高优先权优先调度算法
进程 服务时 优先级 间 A 10 3 B 1 1 开始时 间 6 0 结束时 间 16 1 周转时 间 16 1 带权周转 时间 1.6 1
C D E
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高优先级优先调度算法
1）静态优先级（重点）
示例：进程A、B、C、D和E在0时刻同时到达系统，已知他们的 要求服务时间以及优先级，计算它们各自的开始执行的时间及 完成时间，并计算出各自的周转时间和带权周转时间。
进程 A B C D E 服务时间 10 1 2 1 5 优先级 3 1 4 5 2
小数字表示 高优先级
进程调度的功能：
1）保存处理机的现场信息：保存当前进程的处理机的现场 信息，如程序计数器、多个通用寄存器中的内容等，将它们送 入该进程的进程控制块(PCB)中的相应单元。 2）按某种算法选取进程：进程调度程序按某种算法如优先 级算法、轮转法等，从就绪队列中选取一个进程，把它的状态 改为运行状态，并准备把处理机分配给它。
第3章 CPU调度
本章内容
1.1 场景引入
1.2 CPU调度 1.3 多CPU调度
1.4 总结
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兴趣话题
两军对垒，实力相当，如何取胜？
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分析问题
《宋史· 岳飞传》记载，岳飞对宗泽说：“阵而后战，兵法
之常，运用之妙，存乎一心。”
意思是摆好阵势以后出战，这是打仗的常规，但运用的 巧妙灵活，全在于善于思考。指高超的指挥作战的艺术。