第七章 处理机调度

进程调度的原理
► 为了保证不让进程运行得太久，几乎所有的
计算机都内置了一个电子定时器或时钟，时 钟周期性的发出中断信号，通常每秒50或 钟周期性的发出中断信号，通常每秒50或60 次。每发生一次时钟中断，OS都将运行，并 次。每发生一次时钟中断，OS都将运行，并 决定当前进程是否应该继续运行，还是它已 经占用了足够长的CPU时间，应该暂停让其 经占用了足够长的CPU时间，应该暂停让其 他进程运行。
彩票调度算法－基于概率调度
► 基本思想：为进程发放针对系统各种资源
（如CPU时间）的彩票。当调度程序需作 （如CPU时间）的彩票。当调度程序需作 出决策时，随机选择一张彩票，持有该彩 票的进程将获得系统资源。 ► 所有进程都是平等的，更重要的进程被赋 予更多的额外彩票，以增加其中奖概率， 如果共发出100张彩票，而一个进程持有 如果共发出100张彩票，而一个进程持有 20张，它就有20％的中奖概率，对于长时 20张，它就有20％的中奖概率，对于长时 间运行，它将获得大约20％的CPU时间。 间运行，它将获得大约20％的CPU时间。
► 对于高级别的用户进程，给予高的运行优先级 ► 对于高优先级的用户作业收取运行费用相应也高 ► 对于I/O密集型作业，给予比CPU密集型作业更 对于I/O密集型作业，给予比CPU密集型作业更
高的运行优先级 ► 例如：一个在后台收发电子邮件的进程进程应被 赋予一个较低的优先级，而在屏幕上实时播放电 影的进程因改被赋予较高的优先级。
轮转法（Round-Robin） 轮转法（Round-Robin）
► 一种最古老、最简单、最公平且使用最广泛的算
法是时间片轮转调度算法。 ► 轮转法将CPU时间划分成若干个短的时间片断 轮转法将CPU时间划分成若干个短的时间片断 （通常小于100ms），将这些时间片断轮流分配 （通常小于100ms），将这些时间片断轮流分配 给各个就绪进程使用。如果时间片结束时，进程 还没有运行完，则CPU将被剥夺并分配给另一个 还没有运行完，则CPU将被剥夺并分配给另一个 就绪进程使用；如果进程在时间片结束前阻塞或 结束，则CPU理解发生切换。 结束，则CPU理解发生切换。 ► Window和UNIX操作系统都是使用轮转法，或者 Window和UNIX操作系统都是使用轮转法，或者 轮转法的变形算法进行处理器调度的。
优先级调度（带优先级的轮转法）
► 在一个现实系统中，通常不同用户的进程需要得
到的服务是不一样的，系统调度程序在保证部分 公平性的基础上，应该尽量为重要性高的进程提 供更好的服务。 ► 调度思想：每个进程被赋予一个优先级，优先级 最高的就绪进程率先被运行。 ► 为了防止高优先级的进程无休止的运行下去，调 度程序可以在每一个时钟中断适当降低当前进程 的优先级。如果这时运行进程优先级低于次高优 先级进程，则将进行进程切换。
最短作业优先算法 ► 当输入队列中有若干个同等重要的进程将被 启动时，调度程序选择预计运行时间最短的 进程投入运行 ► 最短作业优先特点：系统吞吐量最大，平均 周转时间最短，但对耗时进程造成不公平。
► 例：四个作业A、B、C、D运行时间分别 例：四个作业A
为8、4、4、4分钟。若按图（a）所示顺 分钟。若按图（a 序运行，则平均周转时间为： (8+12+16+20)/4=14分钟 (8+12+16+20)/4=14分钟 ► 若按图（b）所示顺序运行，则平均周转 若按图（b 时间为： (4+8+12+20)/4=11分钟 (4+8+12+20)/4=11分钟 可见最短作业优先算法的平均周转时间最短
实时系统的最早截止算法
► 当一个事件发生时，对应进程被加入到就绪
队列中。该队列按照截止期限排序，对于一 个周期性事件，其截止期限即为事件下次发 生的事件。该算法首先运行队首进程，即截 止事件最近的那个。
最少裕度算法
► 首先计算各进程的富余事件，称作裕度。如
果一个进程需要运行200ms，而它必须在 果一个进程需要运行200ms，而它必须在 250ms内完成，则其裕度为50ms，最少裕度 250ms内完成，则其裕度为50ms，最少裕度 算法即选择运行裕度最少的进程。
实现关键
► 在系统中没有其他进程竞争CPU的情况下，则 在系统中没有其他进程竞争CPU的情况下，则
CPU时间完全由某个进程占用，而一旦这个进程 CPU时间完全由某个进程占用，而一旦这个进程 满负荷运行则会使得CPU使用率达到100％ 满负荷运行则会使得CPU使用率达到100％ ► 为了按某个比例使用CPU，则相应进程必须采取 为了按某个比例使用CPU，则相应进程必须采取 运行一会儿又睡眠一会儿的策略，则进程状态必 须在运行态和睡眠态之间不停转换，使得： 运行时间/(运行时间+睡眠时间) 30％ 运行时间/(运行时间+睡眠时间)＝30％ ► 此外，由于Window系统任务管理器的统计是在 此外，由于Window系统任务管理器的统计是在 较短时间间隔进行的，因此睡眠态和运行态的转 换周期必须非产短，在1 换周期必须非产短，在1秒钟以内。
发生率单调算法
► 事先为每个进程分配一个与事件发生频率成
正比的优先级。例如：周期为20ms的进程优 正比的优先级。例如：周期为20ms的进程优 先级为50，而周期为100ms的进程优先级为 先级为50，而周期为100ms的进程优先级为 10。运行时，调度程序总是调度优先级最高 10。运行时，调度程序总是调度优先级最高 的就绪进程，必要时将剥夺当前进程。
实时调度
► 实时系统是那些时间因素非常关键的系统 ► 实时系统可分为硬实时系统和软实时系统。
硬实时系统必须严格满足时间限制，例如： 核反应堆控制系统，汽车自动刹车系统。软 实时系统偶尔超过时间限制是可以容忍的， 如CD音乐播放系统。 CD音乐播放系统。
实时系统可调度条件
► 有m个周期性事件，事件
练习2.23 练习2.23
► 有5个批处理任务A到E几乎同时到达一计 个批处理任务A
算中心。其预计运行时间分别为10、 算中心。其预计运行时间分别为10、6、2、 4、8分钟。其优先级分别为3、5、2、1、 分钟。其优先级分别为3 4。对于下列每种调度算法，计算其平均 进程周转时间 ► 先来先服务 ► 时间片轮转 ► 优先级调度 ► 最短作业优先
调度程序与调度算法
► 当有多个进程就绪时，操作系统必须决定
先运行哪一个，OS中作出这种决定的部分 先运行哪一个，OS中作出这种决定的部分 称作调度程序。 称作调度程序。 ► 调度程序从就绪队列中选取进程投入运行 的策略，称为调度算法。 的策略，称为调度算法。
调度算法的评价标准
► 公平性－确保每个作业获得合理的CPU份额 公平性－确保每个作业获得合理的CPU份额 ► 效率－CPU真正用于运行作业的时间和总CPU时 效率－CPU真正用于运行作业的时间和总CPU时
间之比（使CPU使用率尽可能高) 间之比（使CPU使用率尽可能高) ► 响应时间－作业从提交到首次获得CPU使用权之 响应时间－作业从提交到首次获得CPU使用权之 间的时间间隔（使交互用户的响应时间尽可能短） ► 周转时间－作业从提交到运行完毕之间的时间间 隔（使批处理用户等待输出的时间尽可能短） ► 吞吐量－单位时间内完成的作业数目（每小时处 理作业数最多）
练习2.24 练习2.24
► 在CTSS上运行的一个进程需要30个时间片方 CTSS上运行的一个进程需要30个时间片方
能结束，则它需要被换入多少次？包括第一 次，即开始运行之前。
最短作业优先（Shortest 最短作业优先（Shortest Job Fist） Fist）
► 对于各进程运行时间可预知的系统，可采用
i的周期为Pi，其中每个 的周期为P 事件需要C 秒的CPU时间 事件需要Ci秒的CPU时间 来处理。则只有满足以 下条件时，才能处理所 有的系统负荷：
Ci ∑ P ≤1 i =1 i
m
练习2.26 练习2.26
► 一个软实时系统有4个周期性事件，其周期分 一个软实时系统有4
别为50、100、300、250ms，假设其处理分 别为50、100、300、250ms，假设其处理分 别需要35、20、10、Xms，则该系统可调度 别需要35、20、10、Xms，则该系统可调度 所允许的X 所允许的X的最大值是多少？
先来先服务（FCFS） 先来先服务（FCFS）
► 将用户作业和就绪进程按提交顺序，或变为就绪状
态的顺序先后排成队列，并按照先来先服务（first 态的顺序先后排成队列，并按照先来先服务（first come first serve）的方式进行调度处理。 serve）的方式进行调度处理。 ► 直观看，该算法在一般意义下是公平的。即每个作 业或进程都按照它们在队列中的等待时间长短来决 定它们是否优先享受服务。 ► 不过，对于那些执行时间较短的作业或进程来说， 如果他们在某些执行时间很长的进程之后到达，则 它们将等待很长时间。
#include <windows.h> #include <stdio.h> #include <time.h> int APIENTRY WinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow) { int i,j=0; clock_t timestart, timestop; int elapsetime; float Ocu_percent=0.3; int milisec_to_sleep;
第七章 处理机调度
授课教师：付勇智 fuyongzhi@swfc.edu.cn 西南林学院 基础部数理教研室
问题提纲
► 多任务操作系统Βιβλιοθήκη Baidu如何在多个任务间分配
CPU的？ CPU的？ ► 微观串行，宏观并行是如何实现的？ ► 调度算法都有哪些？各算法有何特点？ ► 调度算法的评价指标都有哪些，各是什么意 义？ ► 如何让程序消耗固定比例的CPU资源？ 如何让程序消耗固定比例的CPU资源？
Minix进程结构 Minix进程结构
微软技术面试试题
► 写一程序，能够按任意给定的比例使用CPU 写一程序，能够按任意给定的比例使用CPU ► 本例中，按30%的比例占用，任意比例可以 本例中，按30%的比例占用，任意比例可以
比较容易修改 ► 思考：死循环只能按100％占用CPU，如何按 思考：死循环只能按100％占用CPU，如何按 某个给定比例使用CPU呢？问题的关键就是 某个给定比例使用CPU呢？问题的关键就是 进程的调度和进程的状态转换
多重队列
► 设立优先级类：属于最高级类的进程运行1个时 设立优先级类：属于最高级类的进程运行1
间片，属于次高优先级类的进程运行2 间片，属于次高优先级类的进程运行2个时间片， 再次以及4 再次以及4个时间片，依次类推。 ► 当一个进程用完分配的时间片后，它被移到下一 类。 ► 例如：一个进程需要运行100个时间片。它最初 例如：一个进程需要运行100个时间片。它最初 被分配1个时间片，然后被换出。下次获得2 被分配1个时间片，然后被换出。下次获得2个 时间片，接下来分别是4 时间片，接下来分别是4、8、16、32、64。最 16、32、64。最 后一次它只使用64个时间片中的37个便结束， 后一次它只使用64个时间片中的37个便结束， 该进程总共需要7 该进程总共需要7次交换。
调度算法的分类
► 允许将逻辑上可运行的程序暂时挂起的策
略称作可剥夺调度（preemptive 略称作可剥夺调度（preemptive scheduling）抢先式调度，抢占式调度 scheduling）抢先式调度，抢占式调度 ► 一个进程一旦运行则一直占用CPU，直到 一个进程一旦运行则一直占用CPU，直到 无法继续运行阻塞或终止退出才进行调度 的方法称为非剥夺调度（nonpreemptive 的方法称为非剥夺调度（nonpreemptive scheduling）非抢先式调度 scheduling）非抢先式调度 ► MSDOS采用非剥夺调度 MSDOS采用非剥夺调度 ► Windows和Unix采用可剥夺调度 Windows和Unix采用可剥夺调度