《现代操作系统》02章 进程与线程（二）
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4 调度
调度进程——需要决定多个就绪的进程或线程哪个可以运行
调度算法——调度进程使用的算法
4.1 调度介绍
进程行为
CPU运算——CPU密集型
IO活动——IO密集型
何时调度
创建进程后——执行子进程or父进程
进程退出后——执行哪个就绪进程
进程阻塞后——执行哪个就绪进程
进程被中断——执行被打断进程or新就绪进程
时钟中断后：
非抢占式——若没有更高优先级进程等待到时，则继续运行
抢占式——中断发生，挂起当前进程，运行其他就绪进程
算法分类
| 分类 | 应用方向 | 策略 |
|---|---|---|
| 批处理 | 商业领域、大型机 | 非抢占式、中断周期长的抢占式 |
| 交互式 | 服务器 | 抢占式 |
| 实时 | 实时性应用 | 抢占式非抢占式均有 |
调度算法的目标
所有系统：
公平——每个进程公平的CPU份额
------同等级别的进程拥有同等的CPU资源
策略强制执行——按照约定的策略执行
------例如高级别的进程抢先低级别进程运行
平衡——保持系统的所有部分都忙碌
批处理系统（本章研究）：
吞吐量——每小时作业数，越大越好
周转时间——从提交到终止的平均时间，越小越好
------要在吞吐量和周转时间中寻找平衡
CPU利用率——保持CPU始终忙碌
------并不是最重要的
交互式系统（本章研究）：
响应时间——快速响应请求
------最重要的
均衡性——满足用户期望
------对于一个操作得耗时用户有一个基本的（未必正确的）概念
实时系统（07章研究）：
满足截止时间——避免丢失数据
可预测性——多媒体系统（音视频）中避免品质降低
4.2 批处理系统调度
有些算法既可以用在批处理系统也可以用在交互系统
先来先服务（非抢占）
排队运行，先就绪者先运行
阻塞后再就绪，排至队尾
优点：易于理解，方便实现
缺点：IO密集型进程效率低下
最短作业优先（非抢占）
运行时间可预知
所有作业共同到达，优先选择时间短者运行
最短剩余时间优先（抢占）
运行时间可预知
新作业到达，与当前运行作业剩余时间相比，短者优先
4.3 交互式系统调度
4.3.1 轮转调度
维护一张可运行进程的表
每个进程被分配时间片
时间片使用完挂起排至队尾，切换下一个进程
进程提前结束，立即切换
时间片长度的选择尤为关键
过短：切换频繁，浪费很多的CPU时间用来切换（恢复内存映像，寄存器值等等）
过长：发生短请求的长响应时间
时间片长度一般在：20ms-50ms
4.3.2 优先级调度
进程被赋予不同或相同的优先级
优先级高的就绪进程优先运行
为防止高优先进程无限抢占：
两种解决方法：
- 每个时钟中断降低当前进程优先级
- 每个进程被赋予最大运行时间片，使用完后，次级进程运行
优先级的分配：
可以是动态的，也可以是静态的
军队学校根据行政等级分配进程优先级
商业服务器根据缴纳的费用分配优先级
为IO密集型进程分配高优先级（尽快开始下一次IO操作）
一种简单地动态分配算法：
优先级 = (1/f)*T
f：该进程在上一时间片用掉的时间
T：时间片的时长
eg：T=50ms f=1ms 则优先级 = 50 f=25ms 则优先级 = 2
优先级分类算法：
进程按照优先级分为几类，每类中按照轮转调度的方式调度，当高优先级类中有就绪进程时，不会理会低优先级类中的就绪进程
进程的优先级需要动态调整，否则出现低优先级进程的饥饿现象
4.3.3 多级队列
设立优先级类：
CTSS（一个分时系统）的设计：
| 优先级 | 单次运行时间片数 |
|---|---|
| 8 | 1 |
| 7 | 2 |
| 6 | 4 |
| 5 | 8 |
| … | … |
当允许运行时间片数用完后，被移到下一类
- eg：一个进程需要运行100个时间片，初始优先级最高，随着推移，优先级的降低，单次运行时间变长，仅切换了7次进程运行完成，减少了进程切换次数并完成了任务
但是上面的例子存在一个问题，若一直有高优先级进程运行，低优先级进程将一直被挂起（也就是饥饿现象），因此并不是完美的。
XDS940的设计：
| 名称 | 分配条件 | 优先级 |
|---|---|---|
| 终端 | 等待终端输入的进程被唤醒 | 高 |
| IO | 等待磁盘数据IO的进程就绪 | - |
| 短时间片 | 时间片用完仍为就绪 | - |
| 长时间片 | 多次时间片用完且并未被阻塞 | 低 |
4.3.4 最短进程优先
借鉴了批处理系统中的算法
最短优先的首要问题就是估计运行时长
老化算法
上一次运行时间T0
这次运行时间T1
预测下次运行时间T2 = a*T0 + （1-a）*T1
a：老化速度，越小老化的越快（先前的值影响减小快）
4.3.5 保证调度
追求绝对的公平，n个进程平等级别，要拥有相同的CPU运行时间
eg: 有n个进程，则每个进程要获得CPU时间的1/n
m = CPU总时间/n 各个进程应得的CPU时间
p1、p2：某两个进程实际的CPU时间
进程1公平指数 = p1/m
进程2公平指数 = p2/m
公平指数小于1的被亏欠，大于1的占了便宜，总不能一直占便宜，所以下次运行时让亏了的先运行
4.3.6 彩票调度
给进程提供系统资源（例如CPU时间）的彩票
调度时随机指定一张彩票为中奖彩票，拥有该彩票的进程运行
拥有彩票数量越多，获奖概率越大
彩票的数量会随着进程的增减动态调整（彩票的回收与分发）
进程协同情况下还可以互相赠送彩票
4.3.7 公平分享调度
多用户情况下，公平分配CPU时间给不同的用户
eg：用户1进程：ABCD，用户2进程：E
| 公平的定义 | 轮转调度 |
|---|---|
| 1:1 | AEBECEDE… |
| 2:1 | ABECDEABE… |
4.4 实时系统中的调度
一般出现在多媒体、工业控制、航空、军事等领域中
分类
| 硬实时（HRT） | 满足绝对的截止时间 |
|---|---|
| 软实时（SRT） | 允许偶尔的错失截止时间 |
每个进程的行为可预测和提前掌握
进程寿命短
进程执行速度快
检测到外部信号，调度程序按照满足所有截止时间的要求调度进程
事件
| 周期性事件 | 以规则的时间间隔发生 |
|---|---|
| 非周期性事件 | 发生时间不可预知 |
可完全调度的条件
∑ i = 1 n C i P i ⩽ 1 \sum_{i=1}^{n} \frac {Ci}{Pi} \leqslant 1 i=1∑nPiCi⩽1
Ci——i事件的时长
Pi——i事件发生的周期
n——事件数
假设：上下文切换时间很小
4.5 策略和机制
此前的调度都认为各个进程相互独立，但有时多个进程是相互关联的
例如一个数据库进程，他有几个子进程（请求分析，磁盘访问等），数据库进程知道哪个进程的任务更紧迫，但系统并不知道，这就引出——调度机制（scheduling mechanism）与调度策略（scheduling policy）分离原则
机制策略分离原则
调度算法参数化，参数由用户进程给出（例如上面的数据库进程），这样策略的部分决定权留给了用户，而调度机制有操作系统决定
4.6 线程调度
用户级线程
内核并不知晓线程的存在，仍然按照进程进行调度
而线程的调度由用户程序完成
线程调度算法是可定制的
内核级线程
内核可以任意调度不同进程内的线程，线程变得公开透明
但内核级线程调度需要上下文切换，效率低
线程调度算法由系统决定
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这里是海小皮，刚刚开学，抽空学习了新的一节，我们共同进步！！