操作系统—调度008

一、调度背景

1、CPU调度

• 将程序切换到运行态，那么就可以占用CPU运行。一旦从运行态切换到其他状态，就会不能再占用CPU运行了。
• 那么什么时候切，以及切换原则呢？
• 那么就更CPU调度有关了。
  在某一个时刻绝对选择让哪一个进程让CPU将要运行的下一个进程。
• 调度需要考虑两种情况：.
• 不可抢占。大部分我们调用的是应用程序，应用程序运行的时候，是以用户态的进程形式存在。这个进程从开始到结束，中间是不允许打断。早期操作系统设计的情况 ——不可抢占策略。这样其他的程序需要进行等待，效率不高。比如说运行程序中，处于堵塞状态，这时CPU是停止的。所以效率不高
• 可以抢占：用户进程程序在运行中，可能感觉不到，但是操作系统会决定某个时刻打断用户执行，让操作系统去选择另外一个进程。现在操作系统很常用的调度策略。当一个用户进程执行系统调用，在内核中不会导致进程处于等待状态，那么这时当系统访问时，内核中不会出现抢占状态。
  

二、调度准则

1、调度策略

进程在计算机运行时处于的状态，进程更多的是访问内存和i/o，让CPU做计算。

2、程序执行模型

在某个进程在等待I/o时，可以切换到其他进程中，可以使CPU处于一直工作状态。

3、比较调度算法的准则

• 可以用来评测分析调度算法的指标。

1. CPU利用率越高，那么认为当前系统效率越好。说明进程调度很好。 CPU利用率是一方面。
2. 吞吐量越高，意味着进程的效率越好。
3. 周转时间：启动后需要等待一段时间才能会被CPU执行，从而完成想对的工作，才会结束。等待时间+服务时间=周转时间。时间越少越好。
4. 等待时间：处于就绪态的进程，变为运行态所等待的时间。
5. 响应时间：外设发出请求，到请求被进程处理完毕，为相应时间。

4、吞吐量VS延迟

什么是更快，对快的解释？

1. 传输文件时的高宽带：出水量大
2. 玩游戏时的低延迟：响应时间块
3. 这两个因素是独立的

和“水管”类比

1. 低延迟：喝水的时候想要一打开水龙头就流出来。
2. 高带宽：给游泳池冲水时希望水龙头同时流出大量的水，并且不介意是否存在延迟。

对于算法来说，我们希望算法达到什么样的效果呢？

1. 响应时间：及时处理用户的输出并且尽管输出提供给用户。
2. 减少平均响应时间的波动：在交互系统中，可预测性比高差异低，平均更重要。
3. 增加吞吐量-两个方面
   1.减少开销（操作系统开销、上下文切换）
   2.系统资源的高效利用（CPU、I/o设备）
4. 减少等待时间：减少每个进程的等待时间。等待时间越小越好，程序已启动，马上可以执行。

这四点：是有矛盾的，最小响应时间和最大吞吐量，在操作系统中设置中，不能同时顾及，只能做偏一方面或者折中。

所以在不同的应用场合，选择不同的优点。

• 低延迟调度增加了交互式表现：比如说桌面系统（鼠标键盘），更多的需要交互性。那么就是低延迟比较高。
• 操作系统需要保证吞吐量不收影响：数据的服务器，更需要吞吐量，需要提供很大带宽，比如视频等等…
• 吞吐量是操作系统的计算带宽
• 相应时间是操作系统的计算延迟

5、公平的目标

• 并不是以效率（延迟、吞吐量），而是以公平作为很重要的调度指标。

• 期望是调用算法，系统运行了每一个进程的公平得到CPU服务。也就是说“得到CPU的时间，大致是公平的”，等待CPU时间，大概也是公平的。

• 公平通常会增加平均响应时间

• 前台任务关注相应时间，一般I/o操作比较多。后台任务关注周转时间，一般长时间利用CPU，进行计算。
  所以前台任务优先级高于后台任务。因为当先去执行前台任务，那么经历一小段CPU操作，就会去长时间执行I/o操作，这时就可以线程切换去执行后台任务，这样后台任务就可以进行长时间的CPU操作。这样就达成了，并行操作。

三、调度算法

实际调度算法比这几个都复杂， 但是实际调度算法对于这些基本特征都是有所体现的。

1. FCFS：比较简单先来先服务。
2. SPN/SRT考虑是时间短的进程，后果是：长进程一直得不到操作系统调度。
3. HRRN：将等待时间考虑进去了。想对前面等待时间很长的进程，也有机会执行。
4. round Robin：每个进程都有机会被执行。想对公平，但是会引入上下文切换问题
5. MLFQ：动态根据执行过程（CPU、I/o密集）（根据消耗时间片）来动态调整优先级。使得操作系统根据进程的动态特点来选择优先级。
6. 公平调度：强调用户请求，在不同级别公平调度。

1、调度算法1（通常操作系统桌面和服务器涉及最基本的调度算法。）

1. FCFS：先来先服务，最简单的算法

在一个队列中，先来的程序，排在前面，CPU进行先处理，后来的排在后面。按着顺序进行处理。
例子中三个进程，根据任务到达顺序，进行任务先后。
可以看出前面程序越长，那么后面程序等待的时间也就越长，从而影响整个系统的周转时间。
那么调整方法有：将最短的时间放在前面，把最长的程序放在后面。那么优先调度时间很短的进程。短进程优先的算法

• 优点：
  简单
• 缺点：
  平均等待时间和周转时间波动较大
  花费时间少的任务可能排在花费时间长的任务后面
  可能导致I/o和CPU之间的重叠处理（CPU密集型进程会导致I/o设备空闲时，I/o密集型进程也在等待）
  

2.SPN：选择下一个最短的进程——考虑时间的进程 Priority

将时间短的进程放在前面，可能提高效率。进程的时间决定优先级，时间越短优先级越高。
将几个进程进行排序，排序后，在调用时，根据排序结果进行执行。如果有来了新程序，不会打断当前程序。“不抢占程序。”

• 新来了程序，与前面进行比较，如果新来的程序，比前面的程序段，会进行抢占前面程序的顺序。而SPN不会进行抢占。
  所以说这个平均等待时间最小的

• 缺点是：
  连续的段任务流会使长任务饥饿
  短任务可用时的任何长任务的CPU时间都会增加平均等待时间

• 需要预知未来
  怎么预估下一个CPU突发的持续时间
  简单的解决办法：询问用户
  如果用户欺骗就杀死进程
  如果用户不知道怎么办

• 既然不知道进程执行多长时间，可以进行预估之前执行历史，来判断什么时候结束。

• 对下一次时刻的预估，根据预估时间进行对调度排序。在操作系统很常用的方法是：根据过去预知未来。
  

3. HRRN：最高响应比优先——最短剩余时间有限

HRRN比前面多考虑了一个多等待时间，SPN只考虑了执行时间，没有考虑等待时间
公式：R越大，那么等待时间越长，优先调度该进程。
最高响应：综合考虑进程的执行时间和等待时间。
从而可以设计出了，交互性、相互性更好的调度算法。

4. Round Robin：CPU轮流执行进程任务。对公平有一定的考虑

让各个进程轮流占用CPU去执行。衡量效率：等待时间。
每个进程都有机会占用CPU执行。平均等待时间很大

4.1 CPU流转任务RR的缺点：

由于是CPU轮流执行任务，不停的切换线程，那么就会产生响应时间。导致相应时间太长。
由于是CPU轮流执行任务，不停的切换线程，那么就会产生时间片小，所以单位时间内通过的“车”少，所以吞吐量小。



多级队列：将进程分析成很多队列，不同队列采取不同调度算法。高级队列：最短优先

4.2 RR轮流执行和短作业优先的比较：

前台任务（word关系响应时间）：用轮转任务，因为需要响应时间短，周转时间大。需要快速响应，也就是说快速让CPU去执行一小段时间，然后紧接着可能是一大段时间的I/o操作。这时CPU就可以切换线程去执行后台任务。从而达到并行。
中间需要利用优先级调度，前台任务优先级比后台任务高，那么有什么问题呢？会造成后台任务长时间得不到执行
后台任务（GCC关系周转时间）：用短作业优先，因为需要周转时间小，响应时间长。这个需要的是快速的执行作业，并不需要立马执行作业。所以可以利用前台任务去执行I/o操作时，来执行后台任务，从而并行。

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• RR轮流执行和短作业优先会出现的问题：
  如果利用优先级会造成后台任务长时间得不到执行，也就是一些长时间利用CPU的操作得不到占用。那么如果加入时间片呢？那和RR轮流操作，就会让前台任务得不到快速响应。这该怎么办呢？？
  
• 什么是一个好的调度呢？？
  好的调度应该有学习机制，1是认识前台后台任务，2是根据任务来调整优先级。
  要做一个算法，1是算法自身要简单，2要认识各任务，3是考虑各种任务的特点，4是根据任务变化，算法来自适应变化。
  

5. MFQ：强调了公平，也强调了变化。进程等待执行时间，根据动态执行过程，进程动态执行调整。

• 多级反馈队列：反馈体现在进程执行的特征，在队列中有所反应。比如说一个进程开始是交互式，开始设为级别较高，最先执行，执行完后，做I/o交互，所以大量等待时间。时间越长优先级越高，那么占用CPU时间越长，时间片很快，一旦发现，那么就可以把优先级进行降级队列。时间片用的越多，就越降级。使得让一些交互性比较好的进程，提高优先级。从而整体提高效率。
  I/o密集型的交互性高：提高优先级，让得到很快的执行。
  CPU密集型的消耗很多计算机资源的：优先级降低，跑慢一点。
  

6. FSS：共享是指CPU的时间——等待和执行可以公平的共享

强调公平，

2、Linux调度算法（基于RR时间轮转 和 短作业优先）

调度算法是为了折中、均衡各种情况
该调度算法：考虑响应时间短和周转时间大的问题
考虑：I/O约束性、CPU约束性、前台任务、后台任务。

代码目标是：找到next下一个最合适切换的线程。
counter：就是优先级，也是时间片。所以综合了时间轮转和短作业优先这两种算法

问题1：IN_TRSKS 是什么？

将P设成了最后一个地址，将PCB做成了一个数组，放在数组的末尾。
i=NR_TRSKS； 从末尾开始，一直往回移动

while(){
    
    if(){
    
    }}每次往回移动时，如果数组中是就绪的状态 并且 counter 大于C，  就将counter赋值给C，
--以上循环一遍：求最大的counter，也就是优先级最大的进程，交给swith_to跳转去执行。 
if(c) break;  如果C不等于0，找到了，那么将next 就是下一个切换的线程。
--典型的优先级算法。

那么counter如何修改呢？ 也就是说就绪状态的线程的时间片都等于0，也就是时间片都用完了，
for(所有的进程){
    
    counter = counter 右移动1位 + priority 就是counter的初值 }
-- 比如说 0010 ->0001 2变成了1 也就是说除以2。 
-- priority是counter(优先级/时间片)的初值
--- 一方面：如果是就绪状态的进程，就设成了counter的初值，
--- 另一方面：如果是其他进程，比如是阻塞进程（现在执行I/o操作的进程），现在有自己的counter，先进行除以2，在加上初值。 将来阻塞的进程成了就绪状态，它的counter一定比之前的counter大。也就说执行过I/o的进程，counter一定会变大，从而优先级会变大，从而时间片也会变大。

2.1 counter的两个作用

1、时间片
既然是时间片那么在【时钟中断】里面需要更改：
每次【时钟中断】都需要修改–counter，直到为0，然后就进行切换。

vodi do_time(){
    
    
	if((让counter--操作，不大于0为止)){
    
    
		如果等于0了，那么就可以进行调度了。也就是说可以切换线程了。
	}

}
do_time 是放在【时钟中断】的函数里边的。

2、优先级
找到counter最大值，就是在找优先级最大的线程。
而优先级是不断的进行动态调整：
I/O线程的优先级就会升高，I/O时间越长优先级就越会更大，从而响应时间越快。
是因为：只要经过了I/O的进程，就会是阻塞状态。那么就会到for循环中进行counter的重置（counter除以2，再加上初值counter）。所以一定会比只执行CPU操作的进程的时间片会多，I/O约束性操作优先级就会上来，也就是前台操作的特征。

3、关于counter的整理
算法中经历一次I/O操作的进程的counter就会增加一次。那么是counter时间片应该也有界。那么最长的时间片，其是小于初值的2倍。

3、调度算法3（嵌入式实时系统中的特殊调度的算法）

4、调度算法4（多CPU多核调度算法的考虑）

四、实时调度

实时调度和通信调度有很大区别：实时调度面临的系统不一样

1、实时系统

• 定义：正确依赖于其时间和功能 两方面的一种操作系统。比如说一些工业性质。在某一段时间内，必须完成一些任务。以进程的形式，能够满足实时实时的特征。

• 性能指标：
  时间约束的及时性
  速度和平均性能想对不重要

• 主要特征：时间约束的可预测性

实时系统分为两种：

• 强实时系统：需要在保证的时间内完成重要的任务，必须完成。
  当系统的某一个关键任务，如果不能再规定时间完成，会引起灾难性后果。必须在强实时系统中，所有任务，在设定的时间段，必须要完成。例如：控制水坝。

• 弱实时系统：要求重要的进程的优先级更高，尽量完成，并非必须。
  比如说看视频，就算出现卡顿，不会产生严重后果。

• 如何衡量一个任务能够完成实时需求呢？
  Released相当于进程中的就绪态，就绪可能不会马上执行，等待一段时间。
  执行时间（Execution time）：这一段时间开始执行，结束时间是蓝色这一块终止时间。
  最终期限（Absolute deadline）：执行时间一定不能超过，此期限。
  
  

2、可调度性

静态优先级调度：在任务执行之前，将优先级确定，按着优先级在规定时间去完成，相应工作。
动态优先级调度：任务优先级，随着执行过程，优先级会动态变化。动态变化可能影响不同时刻执行顺序。所以会可能先、延长调度。

3、单调速率（RM）

静态：优先级在执行前，就已经确定了（周期和优先级）。
周期越短，优先级越高。

4、截止日期最早优先（EDF）

随着任务执行，动态调整优先级。离着Dealine越早，优先级越高。

五、多处理器调度

• 多处理器调度：在实际系统中，多核处理器和并行处理器越来越多。前面调度主要考虑一个CPU，其实现在多个CPU。

• 单处理器：进程只在一个CPU中进行。多处理器的CPU调度更加复杂
  1.多个相同的处理器组成一个多处理器：那么来了一个进程后，操作系统应该考据，将进程放在哪个CPU中运行。
  2.多CPU，空闲和忙碌CPU，如何均衡的运行。
  3.优点：负载共享

• 对称多处理器（SMP）
  1.每个处理器运行自己的调度程序
  2.需要在调度程序中同步

六、优先级反转

如果第一个进程，没有及时完成的话，那么系统会认为是不稳定现象。就会重启系统。

t1虽然比t2的优先级高，t1执行时间受制于t2执行时间，t2抢占用了t3的CPU时间去执行。t1必须等着t3，导致t1的执行时间被t2延长。 从而出现了：t1不能及时完成任务，导致整个系统不稳定现象。从而重启。 低优先级任务影响高优先级任务。