OS- -調度(一)

文章目錄

• OS- -調度(一)
• • 一、調度
  • • 1.調度介紹
    • • 進程行為
      • 何時調度
      • • 什么是空閑進程
      • 調度算法的分類
      • 調度算法的目標
    • 2.批處理中的調度
    • • 先來先服務
      • 最短作業優先
      • 最短剩余時間優先

一、調度

• 當一個計算機是多道程序設計系統時，會頻繁的有很多進程或者線程來同時競爭CPU時間片。
• 當兩個 或兩個以上的進程/線程處于就緒狀態時，就會發生這種情況。如果只有一個CPU可用，那么必須選擇 接下來哪個進程/線程可以運行。
• 操作系統中有一個叫做調度程序(scheduler)的角色存在，它就是 做這件事兒的，該程序使用的算法叫做 調度算法(scheduling algorithm)。
• 盡管有一些不同，但許多適用于進程調度的處理方法同樣也適用于線程調度
• 當內核管理線程的時候， 調度通常會以線程級別發生，很少或者根本不會考慮線程屬于哪個進程。

下面我們會首先專注于進程和 線程的調度問題，然后會明確的介紹線程調度以及它產生的問題。

1.調度介紹

• 讓我們回到早期以磁帶上的卡片作為輸入的批處理系統的時代，那時候的調度算法非常簡單：依次運行 磁帶上的每一個作業。
• 對于多道程序設計系統，會復雜一些，因為通常會有多個用戶在等待服務。
• 一些 大型機仍然將 批處理和 分時服務結合使用，需要調度程序決定下一個運行的是一個批處理作業還是 終端上的用戶。
• 由于在這些機器中CPU是稀缺資源，所以好的調度程序可以在提高性能和用戶的滿意 度方面取得很大的成果。

進程行為

• 幾乎所有的進程(磁盤或網絡)I/O請求和計算都是交替運行的
  
• 如上圖所示，CPU不停頓的運行一段時間，然后發出一個系統調用等待I/O讀寫文件。
• 完成系統調用 后，CPU又開始計算，直到它需要讀更多的數據或者寫入更多的數據為止。當一個進程等待外部設備 完成工作而被阻塞時，才是I/O活動。
• 上面a是CPU密集型進程；b是I/O密集型進程進程，a因為在計算的時間上花費時間更長，因此稱 為計算密集型(compute-bound)或者CPU密集型(CPU-bound) , b因為I/O發生頻率比較快因此稱 為I/O密集型(I/O-bound)
• 計算密集型進程有較長的CPU集中使用和較小頻度的I/O等待。I/O 密集型進程有較短的CPU使用時間和較頻繁的I/O等待。
• 注意到上面兩種進程的區分關鍵在于CPU 的時間占用而不是I/O的時間占用。
• I/O密集型的原因是因為它們沒有在I/O之間花費更多的計算、而 不是I/O請求時間特別長。
• 無論數據到達后需要花費多少時間，它們都需要花費相同的時間來發出讀取 磁盤塊的硬件請求。
• 值得注意的是，隨著CPU的速度越來越快，更多的進程傾向于I/O密集型。這種情況出現的原因是 CPU速度的提升要遠遠高于硬盤。這種情況導致的結果是，未來對I/O密集型進程的調度處理似乎更 為重要。
• 這里的基本思想是，如果需要運行I/O密集型進程，那么就應該讓它盡快得到機會，以便發出 磁盤請求并保持磁盤始終忙碌。

何時調度

第一個和調度有關的問題是何時進行調度決策。存在著需要調度處理的各種情形。

• 首先，在創建一個新 進程后，需要決定是運行父進程還是子進程。因為二者的進程都處于就緒態下，這是正常的調度決策，可以任意選擇，也就是說，調度程序可以任意的選擇子進程或父進程開始運行。
• 第二，在進程退出時需要作出調度決定。因為此進程不再運行(因為它將不再存在)，因此必須從就緒進程中選擇其他進程運行。如果沒有進程處于就緒態，系統提供的空閑進程通常會運行

什么是空閑進程

• 空閑進程(system-supplied idle process)是Microsoft公司windows操作系統帶有的系統進程，該進程是在各個處理器上運行的單個線程，它唯一的任務是在系統沒有處理其他線程時占用處理器 時間。
• System Idle Process并不是一個真正的進程，它是核心虛擬出來的，多任務操作系統都存在。
• 在沒有可用的進程時，系統處于空運行狀態，此時就是System Idle Process在正在運行。
• 你可以簡單 的理解成，它代表的是CPU的空閑狀態，數值越大代表處理器越空閑，可以通過Windows任務管理 器查看Windows中的CPU利用率
  
• 第三種情況是，當進程阻塞在I/O、信號量或其他原因時，必須選擇另外一個進程來運行。有時，阻塞 的原因會成為選擇進程運行的關鍵因素。

• 例如，如果A是一個重要進程，并且它正在等待B退出關鍵 區域，讓B退出關鍵區域從而使A得以運行。但是調度程序一般不會對這種情況進行考量。

• 第四點，當I/O中斷發生時，可以做出調度決策。如果中斷來自I/O設備，而I/O設備已經完成了其工作，那么那些等待I/O的進程現在可以繼續運行。由調度程序來決定是否準備運行新的進程還是重新運 行已經中斷的進程。

如果硬件時鐘以50或60 Hz或其他頻率提供周期性中斷，可以在每個時鐘中斷或第k個時鐘中斷處做 出調度決策。

根據如何處理時鐘中斷可以把調度算法可以分為兩類：

• 非搶占式(nonpreemptive)調度算法挑選一個進程，讓該進程運行直到被阻塞(阻塞在I/O上或等待另一個進程)，或者直到該進程自 動釋放CPU。

• 即使該進程運行了若干個小時后，它也不會被強制掛起。這樣會在時鐘中斷發生時不會 進行調度。

• 在處理完時鐘中斷后，如果沒有更高優先級的進程等待，則被中斷的進程會繼續執行。

• 另外一種情況是搶占式調度算法，它會選擇一個進程，并使其在最大固定時間內運行。

• 如果在時間間 隔結束后仍在運行，這個進程會被掛起，調度程序會選擇其他進程來運行(前提是存在就緒進程)。

• 進 行搶占式調度需要在時間間隔結束時發生時鐘中斷，以將CPU的控制權交還給調度程序。如果沒有可 用的時鐘，那么非搶占式就是唯一的選擇。

調度算法的分類

毫無疑問，不同的環境下需要不同的調度算法。之所以出現這種情況，是因為不同的應用程序和不同的 操作系統有不同的目標。

也就是說，在不同的系統中，調度程序的優化也是不同的。這里有必要劃分出 三種環境

• ?批處理(Batch)

• ?交互式(Interactive)

• ?實時(Real time)

• 批處理系統廣泛應用于商業領域，比如用來處理工資單、存貨清單、賬目收入、賬目支出、利息計算、 索賠處理和其他周期性作業。

• 在 批處理系統中，一般會選擇使用非搶占式算法或者周期性比較長的搶占 式算法。這種方法可以減少線程切換因此能夠提升性 能。

• 在交互式用戶環境中，為了避免一個進程霸占CPU拒絕為其他進程服務，所以需要搶占式算法。

• 即使 沒有進程有意要一直運行下去，但是，由于某個進程出現錯誤也有可能無限期的排斥其他所有進程。為 了避免這種情況，搶占式也是必須的。

• 服務器也屬于此類別，因為它們通常為多個(遠程)用戶提供服 務，而這些用戶都非常著急。計算機用戶總是很忙。

• 在實時系統中，搶占有時是不需要的，因為進程知道自己可能運行不了很長時間，通常很快的做完自己 的工作并阻塞。

• 實時系統與交互式系統的差別是，實時系統只運行那些用來推進現有應用的程序，而交 互式系統是通用的，它可以運行任意的非協作甚至是有惡意的程序。

調度算法的目標

為了設計調度算法，有必要考慮一下什么是好的調度算法。

有一些目標取決于環境(批處理、交互式或 者實時)蛋大部分是適用于所有情況的

下面是一些需要考量的因素，我們會在下面一起討論。

• 在所有的情況中，公平是很重要的。對一個進程給予相較于其他等價的進程更多的CPU時間片對其 他進程來說是不公平的。當然，不同類型的進程可以采用不同的處理方式。
• 與公平有關的是系統的強制執行，什么意思呢？

• 如果某公司的薪資發放系統計劃在本月的15號，那么碰上了疫情大家生活都很拮據，此時老板說要在14號晚上發放薪資，那么調度程序必須強制使進程執行 14號晚上發放薪資的策略。

• 另一個共同的目標是保持系統的所有部分盡可能的忙碌。如果CPU和所有的I/O設備能夠一直運行， 那么相對于讓某些部件空轉而言，每秒鐘就可以完成更多的工作。

• 例如，在批處理系統中，調度程序控 制哪個作業調入內存運行。
• 在內存中既有一些CPU密集型進程又有一些I/O密集型進程是一個比較好的想法，好于先調入和運行所有的CPU密集型作業，然后在它們完成之后再調入和運行所有I/O密集型作業的做法。
• 使用后者這種方式會在CPU密集型進程啟動后，爭奪CPU ,而磁盤卻在空轉，而當I/O密集型進程啟動后，它們又要為磁盤而競爭，CPU卻又在空轉。。。。。。
• 顯然，通過結合I/O密集型和CPU密集型，能夠使整個系統運行更流暢，效率更高。

• 批處理系統
• 通常有三個指標來衡量系統工作狀態：吞吐量、周轉時間和CPU利用率，吞吐量(throughout)是 系統每小時完成的作業數量。

綜合考慮，每小時完成50個工作要比每小時完成40個工作好。

• 周轉時 間(Turnaround time)是一種平均時間，它指的是從一個批處理提交開始直到作業完成時刻為止平均 時間。該數據度量了用戶要得到輸出所需的平均等待時間。周轉時間越小越好。
• CPU利用率(CPU utilization)通常作為批處理系統上的指標。即使如此，CPU利用率也不是一 個好的度量指標，真正有價值的衡量指標是系統每小時可以完成多少作業(吞吐量)，以及完成作業需 要多長時間(周轉時間)。

• 把CPU利用率作為度量指標，就像是引擎每小時轉動了多少次來比較汽車 的性能一樣。
• 而且知道CPU的利用率什么時候接近100%要比什么什么時候要求得到更多的計算能力 要有用。

• 交互式系統

• 對于交互式系統，則有不同的指標。最重要的是盡量減少響應時間。這個時間說的是從執行指令開始 到得到結果的時間。

• 再有后臺進程運行(例如，從網絡上讀取和保存E-mail文件)的個人計算機上， 用戶請求啟動一個程序或打開一個文件應該優先于后臺的工作。
• 能夠讓所有的交互式請求首先運行的就 是一個好的服務。
• 一個相關的問題是 均衡性(proportionality),用戶對做一件事情需要多長時間總是有一種固定 (不過通常不正確)的看法。
• 當認為一個請求很復雜需要較多時間時，用戶會認為很正常并且可以接受，但是一個很簡單的程序卻花費了很長的運行時間，用戶就會很惱怒。
• 可以拿彩印和復印來舉出一個 簡單的例子，彩印可能需要1分鐘的時間，但是用戶覺得復雜并且愿意等待一分鐘，相反，復印很簡單 只需要5秒鐘，但是復印機花費1分鐘卻沒有完成復印操作，用戶就會很焦躁。

• 實時系統

實時系統則有著和交互式系統不同的考量因素，因此也就有不同的調度目標。

• 實時系統的特點是必須滿 足最后的截止時間。

• 例如，如果計算機控制著以固定速率產生數據的設備，未能按時運行的話可能會導 致數據丟失。

• 因此，實時系統中最重要的需求是滿足所有(或大多數)時間期限。

• 在一些實事系統中，特別是涉及到多媒體的，可預測性很重要。偶爾不能滿足最后的截止時間不重要， 但是如果音頻多媒體運行不穩定，聲音質量會持續惡化。
• 視頻也會造成問題，但是耳朵要比眼睛敏感很 多。

為了避免這些問題，進程調度必須能夠高度可預測的而且是有規律的。

2.批處理中的調度

現在讓我們把目光從一般性的調度轉換為特定的調度算法。

下面我們會探討在批處理中的調度。

先來先服務

很像是先到先得。。。

• 可能最簡單的非搶占式調度算法的設計就是 先來先服務(first-come,first-serverd)。使用此算法，將按照請求順序為進程分配CPU。
• 最基本的，會有一個就緒進程的等待隊 列。當第一個任務從外部進入系統時，將會立即啟動并允許運行任意長的時間。它不會因為運行時間太 長而中斷。
• 當其他作業進入時，它們排到就緒隊列尾部。當正在運行的進程阻塞，處于等待隊列的第一 個進程就開始運行。
• 當一個阻塞的進程重新處于就緒態時，它會像一個新到達的任務，會排在隊列的末 尾，即排在所有進程最后。
  
• 這個算法的強大之處在于易于理解和編程，在這個算法中，一個單鏈表記錄了所有就緒進程。
• 要選取一 個進程運行，只要從該隊列的頭部移走一個進程即可；要添加一個新的作業或者阻塞一個進程，只要把 這個作業或進程附加在隊列的末尾即可。

這是很簡單的一種實現。

• 不過，先來先服務也是有缺點的，那就是沒有優先級的關系，
• 試想一下，如果有100個I/O進程正在排 隊，第101個是一個CPU密集型進程，那豈不是需要等100個I/O進程運行完畢才會等到一個CPU 密集型進程運行
• 這在實際情況下根本不可能，所以需要優先級或者搶占式進程的出現來優先選擇重要 的進程運行。

最短作業優先

• 批處理中，第二種調度算法是最短作業優先(Shortest Job First)

• 我們假設運行時間已知。例 如，一家保險公司，因為每天要做類似的工作，所以人們可以相當精確地預測處理1000個索賠的一批 作業需要多長時間。

• 當輸入隊列中有若干個同等重要的作業被啟動時，調度程序應使用最短優先作業算法
  

• 如上圖a所示，這里有4個作業A、B、C、D,運行時間分別為8、4、4、4分鐘。

• 若按圖中的次序 運行，則A的周轉時間為8分鐘，B為12分鐘，C為16分鐘，D為20分鐘，平均時間內為14分 鐘。

• 現在考慮使用最短作業優先算法運行4個作業，如上圖b所示，目前的周轉時間分別為4、8、12、 20,平均為11分鐘，可以證明最短作業優先是最優的。

• 考慮有4個作業的情況，其運行時間分別為 a、b、c、d。第一個作業在時間a結束，第二個在時間a + b結束，以此類推。平均周轉時間為(4a + 3b + 2c + d)/4。

• 顯然a對平均值的影響最大，所以a應該是最短優先作業，其次是b,然后是c , 最后是d它就只能影響自己的周轉時間了。

• 需要注意的是，在所有的進程都可以運行的情況下，最短作業優先的算法才是最優的。

最短剩余時間優先

• 最短作業優先的搶占式版本被稱作為最短剩余時間優先(Shortest Remaining Time Next)算法。

• 使用這個算法，調度程序總是選擇剩余運行時間最短的那個進程運行。

• 當一個新作業到達時，其整個時 間同當前進程的剩余時間做比較。如果新的進程比當前運行進程需要更少的時間，當前進程就被掛起， 而運行新的進程。

• 這種方式能夠使短期作業獲得良好的服務。

未完。。。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的OS- -调度(一)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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