单核与多核的CPU调度算法

1. 多核CPU调度算法

1.1全局队列调度算法

操作系统维护一个全局的任务等待队列，每个进程在执行阶段可以使用全部的处理器资源。当系统中有一个CPU核心空闲时，操作系统就从全局任务等待队列中选取Ready进程开始在此核心上执行。

优点：CPU核心利用率较高，能保证全局资源的充分利用。

缺点：多处理器同时查找工作时，可能会降低处理器效率。且同一进程可能在不同内核上执行，造成的进程迁移开销较大。

1.2局部队列调度算法

操作系统为每个CPU内核维护一个局部的任务等待队列，将所有进程分配到与处理器对应的进程队列中。当系统中有一个CPU内核空闲时，便从该核心的任务等待队列中选取恰当的任务执行。

优点：充分利用局部缓存，降低了进程迁移的开销。任务基本上无需在多个CPU核心间切换，有利于提高CPU核心局部Cache命中率。目前多数多核CPU操作系统采用的是基于全局队列的任务调度算法。

缺点：可能造成某些处理器超负荷，而某些处理器空闲，即资源分配不均衡不充分，引起全局资源的不充分利用。

2. 简单单核CPU调度算法

2.1 先到先服务调度算法：FCFS（first-come,first-served）

当一个进程进入到Ready队列，其PCB就被链接到队列的尾部。当CPU空闲时，CPU被分配给位于队列头的进程（即当前Ready队列中已等待时间最长的进程）。接着，该运行进程从队列中被删除。

缺点：对于一个进程队列，其总的周转时间太长，且当进程的I/O较为密集时，效率将会变得相当低，CPU利用率也会变得很低。

优点：实现方式简单，适用于长程调度和处理器密集的进程调度。常与优先级策略结合提供一种更有效率的调度方法。

2.2 最短作业优先调度算法：SJF（shortest-job-first）

SJF是一种非抢占式的调度算法，其实现原则是取Ready队列中处理时间最短的进程加载入CPU，进入CPU执行的进程执行完后才释放CPU，然后加载第二个进程进入CPU执行。

缺点：忽视了作业等待时间，会出现starvation现象，且作业执行时间无法提前知道，也很难预估。

优点：算法实现简单，能有效地降低作业的平均等待时间，提高系统吞吐量，是理论上的最优调度算法。

2.3 最短剩余时间优先调度算法：SRTF（Shortest Remaining Time First）

SRTF调度算法是抢占式的SJF调度算法，调度程序总是首先选择预期剩余时间最短的进程加载进入CPU执行。

缺点：总是选择预期剩余时间最短的进程，会造成starvation现象。有处理时间预估，效率不足够高。

优点：不偏向长进程，没有额外的中断，因此开销较低。且对于一个进程队

列，总的周转时间较短，执行效率较高，对短进程的响应较快。

2.4 优先级调度算法

每个进程都有一个自己的优先级，Ready队列采用优先级队列实现，CPU每次取Ready队列队首的进程。通常情况，当两个进程的优先级相同时，我们在相同优先级的进程之间采用FCFS调度算法。优先级可以通过内部或外部方式来定义。

缺点：会出现starvation现象（也称无穷阻塞），且不适用于分时系统或交互式事务处理环境。

优点：主要用于批处理系统中，也可用于某些对实时性要求不严的实时系统中。可以采用老化技术，每个进程执行以后其优先级降低，以此来克服starvation的缺点。

2.5 轮转法调度算法

轮转法（RR）调度算法是专门为分时系统设计的，是一种基于时钟的抢占策略。定义一个小时间单元，称为时间量或时间片。时间片通常为10ms到100ms。将Ready队列作为循环队列处理。CPU调度程序循环就需队列，为每个进程分配不超过一个时间片间隔的CPU。如果上下文切换时间约为时间片的10%，那么约10%的CPU时间会浪费在上下文切换上。

缺点：时间片长度设计较难，当时间片长度过大时，会退化成FCFS调度算法。调度I/O密集型进程时效率较低。由于轮询调度在调度过程中不考虑瞬时信道条件，因此它将导致较低的整体系统性能。

优点：对不同的分组业务流队列进行同样的无差别的循环调度服务，对于等长业务流队列是公平的，不存在starvation现象。

2.6 最高响应比优先调度算法

首先需要理解一个概念，叫作响应比。响应比的计算表达式为

其中R为响应比，w为等待处理器的时间，s为预计服务的时间。当进程被立即调用时，R等于归一化周转时间。

调度算法的过程是，当进程完成执行或被阻塞时，选择R值最大的Ready 进程加载进入CPU执行。

缺点：需要预估服务时间s，效率不太高。

优点：能克服starvation现象。

3. 复杂单核CPU调度算法

3.1 多级队列调度算法（multilevel queue-scheduling algorithm）

将Ready队列分成多个独立的队列，对Ready队列和每个独立的队列采用不同的调度算法进行执行。常用的方式是，Ready队列采用优先级调度算法，不同队列根据实际情况采用合适的调度算法即可。

优点：综合了多种调度算法，避免了starvation现象，最大限度地提高了调度效率，也提高了CPU利用率。

3.2 多级反馈队列调度算法

UNIX OS采用的调度算法。其详细过程如下：

1. 进程在进入待调度的队列等待时，首先进入优先级最高的Q1等待。

2. 首先调度优先级高的队列中的进程。若高优先级中队列中已没有调度的进程，则调度次优先级队列中的进程。例如：Q1,Q2,Q3三个队列，只有在Q1中没有进程等待时才去调度Q2，同理，只有Q1,Q2都为空时才会去调度Q3。

3. 对于同一个队列中的各个进程，按照时间片轮转法调度。比如Q1队列的时间片为N，那么Q1中的作业在经历了N个时间片后若还没有完成，则进入Q2队列等待，若Q2的时间片用完后作业还不能完成，一直进入下一级队列，直至完成。

4. 在低优先级的队列中的进程在运行时，又有新到达的作业，那么在运行完这个时间片后，CPU马上分配给新到达的作业（抢占式）。

优点：既能使高优先级的作业得到响应又能使短作业(进程)迅速完成。

4. 多核CPU调度算法与单核CPU调度算法对比

从上面的不同CPU调度算法，我们不难发现，单核CPU调度算法是多核CPU 调度算法的基础，多核CPU调度算法是单核CPU调度算法的延伸和综合使用。我以大篇幅介绍了单核CPU的调度算法，而以少量的篇幅介绍了多核CPU调度算法，其目的也在于说明此结论。

多核CPU调度算法中，无论是全局队列调度算法还是局部队列调度算法，其实现原理均可采用单核CPU调度算法中的某一个或一些综合起来实现。例如局部队列调度算法，每一个局部队列就相当于一个单核CPU调度队列，可以采用合适的单核CPU调度算法去实现。