【操作系统】进程调度
目录
调度的概念
- 进程是资源分配的基本单位；
- 线程是CPU调度的基本单位。
一个单核CPU在某一时刻只能允许一个线程执行，但是现在的计算机总是有一大堆进/线程等待执行。这就需要某种规则来决定处理这些进/线程的顺序，这就是调度要研究的问题。
进程状态：
运行态：当前正在占有CPU的进/线程；
就绪态：具备运行条件，等待系统分配CPU的进/线程；
阻塞态：不具备运行条件，正在等待某外部事件发生的进/线程。
所谓进程调度，就是指在处于就绪态的一堆进/线程里，按照一定的调度算法，选出一个进/线程并给它分配CPU时间让它运行，从而实现多进程/多线程的并发执行。
进程切换的基本流程：
- 首先用户态必须切换到内核态；
- 保存当前进程的状态，包括在其PCB中保存CPU各寄存器值，以便日后重新执行；
- 调度算法选定一个新进程；
- 新进程的内存地址空间重新装入MMU（内存管理单元）；
- 新进程开始执行。
调度目标
所有系统
对于所有系统，都应该有以下调度目标：
- 公平——给每个进程公平的CPU份额；
- 策略强制执行——保证规定的调度策略被执行；
- 平衡——保证系统的所有部分都在忙碌。
批处理系统
批处理系统更适合非抢占式调度算法，应有以下调度目标：
- 吞吐量——每小时最大作业数；
- 周转时间——从提交到终止的最短时间；
- CPU利用率——保持CPU始终忙碌。
交互式系统
交互式系统更适合抢占式调度算法，应有以下调度目标：
- 响应时间——快速响应请求；
- 均衡性——满足用户的期望。
实时系统
对于实时系统，应有以下调度目标：
- 满足截止时间——避免丢失数据；
- 可预测性——如多媒体系统中避免品质降低。
调度算法
进程调度的核心自然是调度规则，即各种调度算法。
计算机都有一个硬件时钟，也叫RTC或CMOS，它独立于操作系统，由主板上一块电池供电的芯片，所以即使计算机断电，RTC也可以维持时间。这个硬件时钟会周期性的发出时钟中断。
根据如何处理时钟中断，可以把调度算法分为两类：
- 非抢占式调度算法：发生时钟中断时不调度；
- 抢占式调度算法：通过时钟中断使CPU控制权返回给调度程序，进而调度其它进程。
非抢占式调度算法：正在运行的进程只有在该进程执行完成或发生阻塞（如I/O请求）的情况下才会释放CPU；
抢占式调度算法：分给进程的时间片耗尽之后，无论当前进程有没有执行完成，调度程序均选择其他进程执行。
非抢占式调度算法
先来先服务
先来先服务算法（FCFS）：按照进程请求CPU的顺序调度它们。
意思就是，所有的就绪状态的进程在一个队列中，申请使用CPU的进程按照先来后到的顺序排在队列尾部，每执行完一个进程，系统就从该队列的头部取出第一个进程来执行。
优点：
- 易于理解且算法实现简单；
缺点：
- 对短进程不利。排在长进程后面的短进程需要等待很长时间，短进程的响应时间可能会很长。
最短作业优先
最短作业优先算法（SJF）：每次调度时选择当前已到达的、且运行时间最短的作业。
优点：
- 对比FCFS，平均等待时间、平均周转时间、平均带权周转时间均有提高；
缺点：
- 需提前掌握各作业的运行时间；
- 对长作业不利。因为如果一直有短作业到来，那么长作业永远得不到调度，长作业有可能会饿死，处于一直等待短作业执行完毕的状态。
周转时间：从进程请求CPU到进程执行完毕为止的统计平均时间。
非抢占式优先级调度
优先级调度：每个进程被赋予一个优先级，允许优先级最高的可运行进程先运行。
对于非抢占式优先级调度，当一个进程到达就绪队列时，比较它的优先级与当前运行进程的优先级。如果新到达进程的优先级高于当前运行进程的优先级，非抢占优先级调度算法只是将新的进程加到就绪队列的头部，而不会进行进程切换。
缺点：
- 若有源源不断的高优先级进程到来，低优先级进程会导致饥饿。
抢占式调度算法
最短剩余时间优先
最短剩余时间优先（SRTN）：当一个新的进程到达时，把它所需要的整个运行时间与当前进程的剩余运行时间作比较。如果新的进程需要的时间更少，则挂起当前进程，运行新的进程，否则新的进程等待。
优点：
- 可以使新的短进程得到良好的服务。
缺点：
- 需提前掌握各进程的运行时间；
- 对长进程不利。
最短剩余时间优先（SRTN）是最短作业优先的抢占式版本。
轮转调度
轮转调度（RR）:每个进程被分配一个时间段，称为时间片，即允许该进程在该时间段内运行。如果在时间片结束时该进程还在运行，则剥夺其CPU并分配给另一个进程；如果该进程在时间片结束前阻塞或结束，则立即进行进程切换。
轮转调度算法对每个进程都一视同仁，就好比大家都排好队，一个一个来，每个人都运行一会儿再接着重新排队等待运行。
优点：
- 易理解且算法易实现；
- 可以兼顾长进程和短进程。
缺点：
- 平均等待时间较长，频繁上下文切换比较费时；
- 时间片的长度选取困难。
时间片设置的太短会导致过多的进程切换，降低CPU效率；
时间片设置的太长又可能会引起对短的交互请求的响应时间变长。
通常时间片设为20-50ms是一个较合理的折中。
抢占式优先级调度
优先级调度：每个进程被赋予一个优先级，允许优先级最高的可运行进程先运行。
优先级调度的问题在于高优先级进程可能无休止地运行下去，对此有两种解决方案：
- 调度程序可能在每个时钟中断降低当前进程的优先级。如果调整后该进程的优先级低于次高优先级的进程，则进行进程切换。
- 给每个进程赋予一个允许运行的最大时间片，时间片耗尽，次高优先级的进程就获得运行机会。
优先级有静态赋予和动态赋予两种方式。
静态赋予即在创建进程时人为确定进程的优先级，并且规定它在进程的整个运行期间保持不变；
动态赋予即在创建进程时赋予该进程一个初始优先级，然后系统根据进程的执行情况的变化而不断改变其优先级，以便获得更好的调度性能。
对于抢占式优先级调度，当一个进程到达就绪队列时，比较它的优先级与当前运行进程的优先级。如果新到达进程的优先级高于当前运行进程的优先级，那么抢占式优先级调度算法就会进行进程切换，让新到的高优先级进程运行。
多级反馈队列
多级反馈队列：在系统中设置多个就绪队列，并为每个队列赋予不同的优先级，从第一个开始逐个降低。不同队列中的进程所赋予的执行时间也不同，优先级越高，时间片越小。
- 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；
- 对于同一个队列中的各个进程，按照时间片轮转调度；
- 当一个进程用完分配的时间片后，它被移到低一级优先级队列。
彩票调度
彩票调度：为进程提供各种系统资源（如CPU时间）的彩票。一旦要做出调度决策时，就随机抽取一张彩票，拥有该彩票的进程则获得该资源。
为了增加重要进程“中彩票”的机率，可以给它们额外的彩票。
公平分享调度
公平分享调度：考虑进程的拥有者是谁，保证每个用户公平的分享CPU。
之前的调度算法都不关注进程所有者是谁。这样做的结果是，如果用户1启动9个进程而用户2启动1个进程，使用轮转或相同优先级调度算法，那么用户1将得到90%的CPU时间，而用户2只得到10%的CPU时间。