操作系统概念 第六章：CPU调度

操作系统概念
第六章：CPU调度
CPU调度
要解决的问题 WHAT：按什么原则分配CPU —进程调度算法 WHEN：何时分配CPU —进程调度的时机 HOW： 如何分配CPU —CPU调度过程（进程的上下文切换）
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本章主要内容
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CPU区间和I/O区间的交替序列
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CPU区间时间直方图
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CPU调度程序
SJF是一种特定的优先权调度方法
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优先级调度（Priority Scheduling）
有以下的进程和其CPU区间时间 进程 运行时间 优先权 P1 10 3 P2 1 1 P3 2 4 P4 1 5 P5 5 2
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P2 0 1
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. 2. 3. 4.
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当一个进程从运行状态切换到等待状态 当一个进程从运行状态切换到就绪状态 当一个进程从等待状态切换到就绪状态 当一个进程终止时。
假设进程按P1、P2、P3的顺序到达。则该调度的 Gantt图如下：
P1 0 24 P2 27 P3 30
等待时间：P1 = 0; P2 = 24; P3 = 27 平均等待时间： (0 + 24 + 27) / 3 = 17
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先到先服务调度（FCFS）
假设进程按P2, P3, P1的顺序到来，则其调度的Gannt 图如下
P2 0 3 P3 6 P1 30
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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 产生护航效应（convoy effect）。与可能允许较短进 程先行相比，这种效果会导致CPU和设备的使用率变 14 得更低
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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。
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6.2 调度准则（Scheduling Criteria）
CPU使用率 使用率：使CPU尽可能忙 使用率 吞吐量（Throughput）：单位时间完成进程的 吞吐量 数量 周转时间（Turnaround time）：从进程提交到 周转时间 进程完成的时间间隔称为周转时间（等待进入 内存、就绪队列、cpu执行、I/O执行） 等待时间（Waiting time）：是在就绪队列中 等待时间 等待所花时间之和。 响应时间（Response time）：从提交请求到 响应时间 产生第一响应的时间。
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。
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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
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Gantt Chart
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先到先服务调度（FCFS）
进程 P1 P2 P3 区间时间 24 3 3
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P5 6
P1 16
P3
P4 18 29
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优先级调度（Priority Scheduling）
该算法存在的问题：无穷阻塞（indefinite blocking)或者称为饥饿（starvation）
低优先权的进程可能永远无法执行
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平均等待时间：7ms
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。
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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 间的测量长度的指数平均
1. t n = actual lenght of n th CPU burst 2. τ n +1 = predicted value for the next CPU burst 3. α , 0 ≤ α ≤ 1 4. Define :
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优先级调度（Priority Scheduling）
每个进程被赋予一个优先级数字（优先权） 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
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解决办法：老化（aging）
随着时间的推进，进程的优先权逐渐提高
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轮转法调度（Round Robin）
轮转法是专门为分时系统而设计的。每个进程 获得一小片CPU时间量（time quantum），通 常为10-100毫秒。时间片结束后，进程被抢占 并放入到就绪队列的最后重新参加调度。 如果就绪队列中有n个进程，具时间片为q，则 每个进程会得到1/n的CPU时间，每个长度不 超过q时间单元。每个进程必须等待CPU的时 间不会超过(n-1)q个时间单元，直到它的下一 个时间片为止。
α =1
τn+1 = tn Only the actual last CPU burst counts.
If we expand the formula, we get:
τn+1 = α tn+(1 - α) α t n-1 + … +(1 - α )j α t n-j + … +(1 - α )n+1τ0
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轮转法调度（Round Robin）
有以下的进程和其CPU区间时间 进程 运行时间 P1 24 P2 3 P3 3 时间片如果是4ms
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P1 0 4
基本概念 调度准则 调度算法 多处理器调度 实时调度 算法评估 进程调度模型
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6.1 基本概念
利用多道程序最大化CPU使用率。 CPU – I/O周期 － 进程执行由CPU执行和I/O 等待周期组成。 CPU区间分布情况
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最短作业优先调度(Shortest-Job-First, SJR)
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）
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时间片与上下文切换开销
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q必须大于上下文切换所需时间
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周转时间随时间片大小而改变
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Since both α and (1 - α) are less than or equal to 1, each successive term has less weight than its predecessor.
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下一个CPU区间长度的预测
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非抢占式SJF的实例
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抢占式SJF的实例
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最短作业优先调度
SJF调度算法也存在不容忽视的缺点： 该算法对长作业不利。如果有一长作业(进程)进入 系统的后备队列(就绪队列)，由于调度程序总是优 先调度那些(即使是后进来的)短作业(进程)，将导 致长作业(进程)长期不被调度，也就是说长作业可 能被饿死。 由于作业(进程)的长短只是根据用户所提供的估计 执行时间而定的，而用户又可能会有意或无意地缩 短其作业的估计运行时间，致使该算法不一定能真 正做到短作业优先调度 该算法完全未考虑作业的紧迫程度，因而不能保证 紧迫性作业(进程)会被及时处理。。
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 scheduling）
P2 7
P3 10
P1 14
P1 18
P1 22
P1 26
P1 30
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时间片＝20时的RR实例
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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
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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
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6.3 调度算法
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抢占wenku.baidu.com调度
有以下的进程和其CPU区间时间 进程 到达时间 区间时间 P1 0 8 P2 1 4 P3 2 9 P4 3 5
P1 0 1 P2 5 P4 10 P1 17 P3 26
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τ n +1 = α t n + (1 − α )τ n .
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指数平均计算的实例
α =0
τn+1 = τn Recent history does not count.
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最短作业优先调度
有以下的进程和其CPU区间时间 进程 区间时间 P1 6 P2 8 P3 7 P4 3
P4 0 3 P1 9 P3 16 P2 24
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先到先服务调度（FCFS）
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特点：
“公平”； 短作业等待时间长。
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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。