一、背景

1、上下文切换与CPU调度：【承上启下】

（1）上下文切换

切换CPU的任务，切换的实体为线程或进程
要保存当前CPU的状态，便于之后的现场恢复【也就是保存TCB/PCB的上下文】
读取下一个线程/进程的上下文

（2）CPU调度

从就绪队列中挑选一个进程/线程作为CPU将要运行的下一个进程/线程
调度程序：挑选进程/线程的内核函数（通过一些调度策略）

2、在进程/线程的生命周期中的什么时候进行调度？

在一个状态变换到另一个状态，特别是与运行状态相关的变换【运行 >> 就绪、运行 >> 退出、运行 >> 阻塞】

3、什么情况下内核会运行调度程序？

（1）可以为一个进程从运行状态切换到等待状态

（2）可以为一个进程结束了

大部分情况下我们调度的是应用程序【运行时以用户态的进程形式存在】
分为两种情况：

（1）不可抢占（非抢占式）

调度程序必须等待事件结束，也就是进程启动之后不能被打断

（2）可以抢占（抢占式）

调度程序在中断被响应后执行
当前进程从运行切换到就绪，或者一个进程从等待切换到就绪
当前运行的进程可以被换出

二、调度准则

3、进程在操作系统中的运行状态是怎样的？【程序执行模型】

此处以一个进程为例，可以看到CPU的使用频率是波动的，说明程序在CPU突发和I/O中交替

每个调度决定的是在下一个CPU突发时将哪个工作交给CPU
在时间分片机制下，线程可能在结束当前CPU突发前被迫放弃CPU【抢占式】

4、可以从哪些方面了比较一个调度算法？

（1）CPU使用率：CPU处于忙状态所占时间百分比

（2）吞吐量：在单位时间内完成的进程数量【操作系统的计算带宽】

（3）周转时间：一个进程从初始化到结束，包括所有等待时间所花费的时间

（4）等待时间：进程在就绪队列中的总时间

（5）响应时间：从一个请求被提交到产生第一次响应所花费的总时间【操作系统的计算延迟】

更快：高宽带、低延迟、
减少响应时间：及时处理用户的输出并且尽快将输出提供给用户
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
增加吞吐量：减少系统开销、提高系统资源的利用率
减少等待时间：减少每个进程的等待时间

5、公平是调度算法的一种重要衡量指标：

（1）保证每个进程占用CPU的时间大致相同

（2）进程等待的时间也大致相同

三、调度算法

1、先来先服务调度算法(FCFS)

该算法是采用先进先出队列实现的：如果进程在执行过程中阻塞，队列中的下一个会得到CPU
通过案例分析：

从程序开始执行计算周转时间，我们看到的平均周转时间；

通过对比可以发现，短队列如果在前面会降低周转时间

先来先服务调度算法的特点：

（1）优点：实现简单

（2）缺点：

平均等待时间波动较大

花费时间少的任务可能排在花费时间长的任务后面【这就导致等待的时间会很长】

没有考虑抢占，可能导致I/O和CPU之间的重叠处理

2、短任务优先调度算法

进程的执行时间越短，调度的优先级就越高
通过案例分析：

pw、px、py、pz为四个进程，c代表预测的执行时间

通过调度算法来完成就绪进程队列的的排序

如果新来一个进程，而且它的执行时间比当前运行进程的时间短怎么办？

（1）方案一：继续运行当前的进程，将新来的进程插入到就绪队列的队首，不会立刻去执行这个新来的队列【非抢占式，SPN】

（2）方案二：将当前进程从运行态切换到就绪态，并重新挂回到就绪队列中，让这个新进程去占用CPU执行【抢占式，最短剩余时间的策略，SRT】

SPN方法可以保证平均周转时间是最短的

短任务优先调度算法的问题：

（1）连续的短任务流会使长任务饥饿

（2）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

（3）要预先知道进程任务的执行时间【利用执行的历史数据去预测】

3、最高响应比优先调度算法(HRRN)

属于短进程优先调度算法的一种改进 >> 不可抢占 + 进程等待时间【防止无限期推迟】
最高相应比公式：R = (w + s) / s【w：等待时间、s：执行时间】

4、轮循调度算法（RR）

各个进程轮流占用CPU【体现了公平策略】

案例分析：

p1-p4四个进程，甘特图为占用CPU的时间片，计算了每个进程的等待时间和平均等待时间

轮循算法的局限性：【时间量子就是时间片】

（1）额外的上下文切换导致很大的开销

（2）如果时间片太小。尽管反应迅速，不过吞吐量会受到大量上下文切换的影响

（3）如果时间片太大。会导致等待时间过长，极限情况下退化到先到先处理调度算法

所以应该选择一个合适大小的时间量子，维持上下文切换开销处于1%以内

分析不同时间片的大小对平均等待时间的影响：

5、多级队列调度算法

就绪队列被划分为独立的队列，不同的队列采用不同的调度算法
当高优先级的任务完成之后，再去执行低优先级的任务

6、多级反馈队列调度算法（MFQ）

反馈体现在进程可以在不同的队列中移动
进程任务随着等待时间变长，它的优先级会不断变高

7、公平共享调度算法（FFS）

8、调度算法的测评方法与汇总：

四、实时调度

之前为面向通用操作调度算法，实时操作系统一般用于工业控制

1、什么是实时系统？

一种正确性依赖于其时间和功能两方面的操作系统
性能指标体现在两方面：时间约束的及时性、速度和平均性能相对不重要
主要特性：时间约束的可预测性
实时系统又分为两类：

（1）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

（2）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

一次实时任务：

（1）就绪后不会立刻执行，在这段时间内执行

（2）Relative deadline 是相对截止时间，Absolute deadline是真正结束的时间

（3）Execution time 是实际执行的时间

周期任务：

从图中可以看出时限为5，蓝色部分为实际执行

2、对于强弱实时系统的时限有什么要求呢？

（1）硬时限

如果错过了最后期限，可能发生非常严重的后果
必须事先验证在最坏的情况下是否能满足时限
保证确定性

（2）软时限

理想情况下，时限应该被最大满足，没有满足就相应的降低要求
尽最大努力保证

3、设置什么样的调度算法满足硬实时和软实时的调度需求？

静态优先级调度：在任务执行前就已经确定了任务的优先级
动态优先级调度：在任务执行过程中，任务的优先级不断变化

五、多处理器调度

1、在有多个CPU的情况下，如何完成多个进程并行的调度？

这就要涉及到我们多处理器的调度算法了。

如何确保CPU的负载平衡？

六、优先级反转

通过优先级继承来解决，访问共享资源速度变快

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