操作系统（五） -- CPU的调度策略

IO约束型的任务指的是经常要进行IO操作的任务，这些任务每次使用CPU的时间短，但是频率高，相应的优先级就得高，这样才能实现CPU与IO的并行操作。CPU约束型的任务指每次使用CPU的时间都比较长，切换次数少，这样的任务就优先级就相对低一些；其实前台任务就属于IO约束型任务，后台任务属于CPU约束型任务。—

各种调度算法：

无论什么调度算法，它的综合性能有多好，都是由基础调度算法融合来的。三种基本的调度算法：

SJF:短作业优先。

作业执行时间短的放在前面先执行，这种方式可以较好的满足周转时间，但是响应时间不好。

RR：按时间片来轮转调度

这种方式可以较好的满足响应时间，但是时间片的选取时间要好好考虑。
时间片大：响应时间太长；时间片小：吞吐量少，因为内耗大了。
折衷：时间片10 ~ 100ms，切换时间0.1~1ms（1%）

响应时间和周转时间同时存在呢？

直观想法：定义前台任务和后台任务两个队列，因为前台任务更看重响应时间，所以使用RR，后台任务更看重周转时间，采用SJF，只有当前台任务没有的时候才调度后台任务，

但是这样会有很多问题？比如前台任务一直存在，那么后台任务是不是永远不执行了？执行一个后台任务的时间一般比较长，那么是不是这段时间就不响应前台任务？

对于第一个问题，给任务设置优先级，前台任务的优先级大于后台任务优先级，首先执行优先级高的任务，随着时间的增长，后台任务优先级动态升高，这样后台任务才有执行的机会。
对于第二个问题，采用时间片的方式，后台任务执行一段时间之后就跳到下一个任务。

除此之外还有很多其他的问题？例如：

我们怎么知道哪些是前台任务，哪些是后台任务，fork时告诉我们吗?
gcc就一点不需要交互吗? Ctrl+C按键怎么工作?
word就不会执行一段批处理吗? Ctrl+F按键?
SJF中的短作业优先如何体现? 如何判断作业的长度?

一个schdule()实例

在不同的领域，调度算法各不相同。我们讨论的是在一个普通的PC机上的调度。

看一下Linux0.11的schedule()函数，进程调度的核心就是找到next，并且switch_to(next);

//在kernel/sched.c中
void Schedule(void) 
{ 
	while(1) 
	{ 
		c=-1; next=0; i=NR_TASKS;
		p=&task[NR_TASKS];
		while(--i)
		{
			if((*p->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter>c)
			c=(*p)->counter, next=i; 
		}
		if(c) 
			break; 		//找到了最大的counter
		for(p=&LAST_TASK;p>&FIRST_TASK;--p)
			(*p)->counter=((*p)->counter>>1)+(*p)->priority; 
	}
	switch_to(next);
}

在Linux中，将PCB做成了一个数组，NR_TASKS就是数组的范围。
在schedule中，首先将p指向PCB的最后一个元素，然后遍历整个数组。如果该进程的state为TASK_RUNNING，TASK_RUNNING表示就绪状态，并且该进程的counter>c，就将该进程的counter赋给c，该进程设置为next。

while(--i)
{
	if((*p->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter>c)
	c=(*p)->counter, next=i; 
}

也就是说经过这个循环之后，c应该是就绪进程队列中中counter最大的那个进程，

if (c)
	break;

如果c大于零，就跳出while(1)，执行switch_to(next)，即执行counter最大的那个进程。如果c小于等于0，意思就是所有就绪进程的counter都是小于等于零，那么就调用进程0执行。在Linux0.11中进程0会调用pause()把自己置为可中断的睡眠状态并再次调用schedule()。

for(p=&LAST_TASK;p>&FIRST_TASK;--p)
	(*p)->counter=((*p)->counter>>1)+(*p)->priority;

这个for循环是设置所有进程的counter，这个for循环执行的条件是，当就绪队列中所有的进程的counter小于等于0才执行。

(*p)->counter=((*p)->counter>>1)+(*p)->priority;

这句话的意思是将所有进程（包括不处于就绪状态的进程）的counter除以2 + 该进程的priority。从上面的分析可以看出，调度就是根据counter来选择的，那这个counter到底是什么呢？

counter的两个作用

时间片

counter在操作系统里面本就是时间片

void do_timer(...) //在kernel/sched.c中
{
	if((--current->counter>0) 
		return;
	current->counter=0;
	schedule(); 
}

这是一个时钟中断，就是隔多长时间这个函数只想跟你一次。学过单片机的同学就可以理解成一个定时器。

if((--current->counter>0))
	return;

如果当前进程的counter大于0，就减一并且结束函数。如果小于等于0，就将当前进程的counter置为0，执行schedule函数。

优先级

while(--i)
{
	if((*p->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter>c)
	c=(*p)->counter, next=i;
}

这个循环就是从就绪队列里面选择counter最大的进程执行，毫无疑问counter有优先级的含义。

for(p=&LAST_TASK;p>&FIRST_TASK;--p)
	(*p)->counter=((*p)->counter>>1)+(*p)->priority;

这个for是设置所有进程的counter，如果当前进程的counter为0，那么一次循环之后，当前进程的counter就为priority；但是如果当前进程不为0呢？换言之就是该进程不处于就绪队列呢，那么经过一次循环之后该进程的counter肯定大于处于就绪队列的进程（当priority相同时）；也就是说阻塞的进程再就绪以后优先级高于非阻塞进程；同时进程阻塞的时间越长，该进程的counter越大，为什么？

第一次执行这个for循环时，如果某进程为阻塞状态，那么其counter为priority
第二次执行这个for循环时，如果该进程为阻塞状态，那么其counter为priority+priority/2
…………………………………………
如果该进程一直阻塞，那么其counter为 p+p/2+p/4+p/8，这样counter一直增加，当该进程一旦处于就绪
状态，它的counter就会变得很大。进程为什么会阻塞，很大可能就是进程IO操作，IO操作不正是前台进程的特征吗？也就是说会优先执行前台进程。

counter的作用整理

counter保证了响应时间有界。
前面说过一个进程如果很长时间没有执行，它的counter=p+p/2+p/4+p/8+……
这个函数收敛，并且一定小于2p，也就是说每个进程的时间片最长就是2p，如果有n个进程，那么响应时间最大也就是2np。
后台进程一直按照counter轮转，近似于SJF调度
每个进程只用维护一个变量counter，简单、高效。

参考资料

哈工大李志军操作系统，赵炯的linux0.11内核完全注释