进程调度

进程都希望自己能够占用 CPU 进行工作,那么这涉及到前面说过的进程上下文切换。

一旦操作系统把进程切换到运行状态,也就意味着该进程占用着 CPU 在执行,但是当操作系统把进程切换到其他状态时,那就不能在 CPU 中执行了,于是操作系统会选择下一个要运行的进程。

选择一个进程运行这一功能是在操作系统中完成的,通常称为调度程序

那到底什么时候调度进程,或以什么原则来调度进程呢?

调度时机

在进程的生命周期中,当进程从一个运行状态到另外一状态变化的时候,其实会触发一次调度。

比如,以下状态的变化都会触发操作系统的调度:

  • 从就绪态 -> 运行态:当进程被创建时,会进入到就绪队列,操作系统会从就绪队列选择一个进程运行;
  • 从运行态 -> 阻塞态:当进程发生 I/O 事件而阻塞时,操作系统必须选择另外一个进程运行;
  • 从运行态 -> 结束态:当进程退出结束后,操作系统得从就绪队列选择另外一个进程运行;

因为,这些状态变化的时候,操作系统需要考虑是否要让新的进程给 CPU 运行,或者是否让当前进程从 CPU 上退出来而换另一个进程运行。

另外,如果硬件时钟提供某个频率的周期性中断,那么可以根据如何处理时钟中断
,把调度算法分为两类:

  • 非抢占式调度算法挑选一个进程,然后让该进程运行直到被阻塞,或者直到该进程退出,才会调用另外一个进程,也就是说不会理时钟中断这个事情。
  • 抢占式调度算法挑选一个进程,然后让该进程只运行某段时间,如果在该时段结束时,该进程仍然在运行时,则会把它挂起,接着调度程序从就绪队列挑选另外一个进程。这种抢占式调度处理,需要在时间间隔的末端发生时钟中断,以便把 CPU 控制返回给调度程序进行调度,也就是常说的时间片机制

调度原则

原则一:如果运行的程序,发生了 I/O 事件的请求,那 CPU 使用率必然会很低,因为此时进程在阻塞等待硬盘的数据返回。这样的过程,势必会造成 CPU 突然的空闲。所以,为了提高 CPU 利用率,在这种发送 I/O 事件致使 CPU 空闲的情况下,调度程序需要从就绪队列中选择一个进程来运行。

原则二:有的程序执行某个任务花费的时间会比较长,如果这个程序一直占用着 CPU,会造成系统吞吐量(CPU 在单位时间内完成的进程数量)的降低。所以,要提高系统的吞吐率,调度程序要权衡长任务和短任务进程的运行完成数量。

原则三:从进程开始到结束的过程中,实际上是包含两个时间,分别是进程运行时间和进程等待时间,这两个时间总和就称为周转时间。进程的周转时间越小越好,如果进程的等待时间很长而运行时间很短,那周转时间就很长,这不是我们所期望的,调度程序应该避免这种情况发生。

原则四:处于就绪队列的进程,也不能等太久,当然希望这个等待的时间越短越好,这样可以使得进程更快的在 CPU 中执行。所以,就绪队列中进程的等待时间也是调度程序所需要考虑的原则。

原则五:对于鼠标、键盘这种交互式比较强的应用,我们当然希望它的响应时间越快越好,否则就会影响用户体验了。所以,对于交互式比较强的应用,响应时间也是调度程序需要考虑的原则。

总结

  • CPU 利用率:调度程序应确保 CPU 是始终匆忙的状态,这可提高 CPU 的利用率;
  • 系统吞吐量:吞吐量表示的是单位时间内 CPU 完成进程的数量,长作业的进程会占用较长的 CPU 资源,因此会降低吞吐量,相反,短作业的进程会提升系统吞吐量;
  • 周转时间:周转时间是进程运行和阻塞时间总和,一个进程的周转时间越小越好;
  • 等待时间:这个等待时间不是阻塞状态的时间,而是进程处于就绪队列的时间,等待的时间越长,用户越不满意;
  • 响应时间:用户提交请求到系统第一次产生响应所花费的时间,在交互式系统中,响应时间是衡量调度算法好坏的主要标准。

调度算法

先来先服务算法(FCFS)

** 每次从就绪队列选择最先进入队列的进程,然后一直运行,直到进程退出或被阻塞,才会继续从队列中选择第一个进程接着运行。**

​ 这似乎很公平,但是当一个长作业先运行了,那么后面的短作业等待的时间就会很长,不利于短作业。

​ FCFS 对长作业有利,适用于 CPU 繁忙型作业的系统,而不适用于 I/O 繁忙型作业的系统。

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短作业优先算法

​ 优先选择运行时间最短的进程来运行,这有助于提高系统的吞吐量。

​ 这显然对长作业不利,容易造成长作饥饿现象

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高响应比优先算法

​ 高响应比优先算法主要为了权衡FCFS和短作业优先算法的优势与缺点

每次进行进程调度时,先计算「响应比优先级」,然后把「响应比优先级」最高的进程投入运行,「响应比优先级」的计算公式:

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从上面的公式,可以发现:

  • 如果两个进程的「等待时间」相同时,「要求的服务时间」越短,「响应比」就越高,这样短作业的进程容易被选中运行;
  • 如果两个进程「要求的服务时间」相同时,「等待时间」越长,「响应比」就越高,这就兼顾到了长作业进程,因为进程的响应比可以随时间等待的增加而提高,当其等待时间足够长时,其响应比便可以升到很高,从而获得运行的机会;

时间片轮转算法

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中运行。

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  • 如果时间片用完,进程还在运行,那么将会把此进程从 CPU 释放出来,并把 CPU 分配另外一个进程;
  • 如果该进程在时间片结束前阻塞或结束,则 CPU 立即进行切换;

另外,时间片的长度就是一个很关键的点:

  • 如果时间片设得太短会导致过多的进程上下文切换,降低了 CPU 效率;
  • 如果设得太长又可能引起对短作业进程的响应时间变长。将

多级反馈队列调度算法

  • 「多级」表示有多个队列,每个队列优先级从高到低,同时优先级越高时间片越短。
  • 「反馈」表示如果有新的进程加入优先级高的队列时,立刻停止当前正在运行的进程,转而去运行优先级高的队列;

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工作原理

  • 设置了多个队列,赋予每个队列不同的优先级,每个队列优先级从高到低,同时优先级越高时间片越短
  • 新的进程会被放入到第一级队列的末尾,按先来先服务的原则排队等待被调度,如果在第一级队列规定的时间片没运行完成,则将其转入到第二级队列的末尾,以此类推,直至完成;
  • 当较高优先级的队列为空,才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时,有新进程进入较高优先级的队列,则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾,接着让较高优先级的进程运行;

可以发现,对于短作业可能可以在第一级队列很快被处理完。对于长作业,如果在第一级队列处理不完,可以移入下次队列等待被执行,虽然等待的时间变长了,但是运行时间也会更长了,所以该算法很好的兼顾了长短作业,同时有较好的响应时间。