CPU调度概述

CPU调度是多任务操作系统的基础，目的是使得CPU尽可能用于执行指令，从而提高CPU效率。

进程之间存在竞争，需要操作系统选择一个进程来进行这种转换。

长程和短程调度

长程调度

又称作业调度、高级调度。
指从“新建”状态转换到“就绪”状态的调度过程。
控制躲到程序的“道/度”。“道/度”：允许在内存运行的最多进程数。

短程调度

又称CPU调度、低级调度。
指调度进程选择下一个执行的进程。

长程与短程调度比较

	切换频率	切换开销	操作系统中的应用
长程调度	低	大（秒/分，切换慢）	可选，非必须
短程调度	高	小（毫秒级，切换快）	必需

调度队列

为了方便进行CPU调度，操作系统需要对不同状态的进程进行组织和管理。为此，为某些特定的状态设立了一个或多个进程队列，用于管理这些进程。

就绪队列 -- 在内存中处于就绪状态并等待执行的所有进程的集合。

设备队列 --- 等待某一I/O设备的进程队列。

进程的执行过程实际上就是进程在各种队列之间的迁移。

图示有一个就绪队列；四个设备队列，四个设备队列均处于等待状态。

中程调度

中程调度，又称“交换”。指将进程在内存和外存间换进换出。（严格区别不属于进程调度，属于内存管理范畴）

目的：为了节省内存空间资源。

CPU脉冲周期

CPU调度过程

调度程序（Scheduler）

根据某种策略选择一个就绪进程。
一个CPU同时只能运行一个进程。

分派程序（Dispatcher）

负责把CPU的控制权转交给CPU调度程序。
切换上下文。
切换到用户态。
跳转到用户程序的适当位置并重新运行之。

分派延迟（Dispatch latency）--- 分派程序终止一个进程的运行并启动另一个进程运行所花的时间。

CPU调度方式和时机

非抢占调度（nonpreemptive）

一旦把CPU分配给某进程后，系统不可以抢占已分配的CPU分配给其他进程。
只有当进程自愿释放CPU，才可以把CPU分配给其它进程。
优点：容易实现，调度开销小，适合批处理系统。
缺点：响应时间长，不适合交互式系统。

抢占式调度（preemptive）

调度程序可根据某种原则暂停某个正在执行的进程，将已分配给它的CPU重新分配给另一个进程。
可以防止单一进程长时间独占CPU资源。
系统开销大。

抢占式和非抢占式区别：运行的进程是否自愿放弃CPU资源。

CPU调度时机

从运行转到等待（非抢占式）
从运行转到就绪（抢占式）
从等待转到就绪（抢占式）
终止运行（非抢占式）

CPU调度准则

调度准则--基本指标

CPU利用率 --- 固定时间内CPU运行时间的比例。

吞吐量 --- 单位时间内运行完的进程数量。

周转时间 --- 进程从提交到运行结束的全部时间。

等待时间 --- 进程等待调度（不运行）的时间片总和。

响应时间 --- 从进程提交到首次运行（而不是输出结果）的时间段，也就是第一段的等待时间。

周转时间 = 等待时间 + 运行时间

响应时间 <= 等待时间

调度准则--优化方法

通过调度算法，使得达到下述的优化方法：

最大的CPU利用率
最大的吞吐量
最短的周转时间
最短的等待时间
最短的响应时间

CPU调度算法1（FCFS和SJF）

先来先服务调度算法（FCFS）

先来先服务（First-Come, First-Served - FCFS）

按照进程请求CPU的先后顺序使用CPU。

算法特点

实现简单，可使用FIFO队列实现。
非抢占式。
当一个长进程后面的多个短进程，让长进程先执行，会让后面的短进程等待较长的时间，从而导致CPU和设备利用率降低。
公平。

短作业优先调度算法（SJF）

短作业优先（Shortest-Job-First, SJF）

关联到每个进程下次运行的CPU区间长度，调度最短的进程。

两种模式

非抢占式SJF调度，一旦进程拥有CPU，它的使用权限只能在该CPU区间结束后让出。

抢占式SJF调度，发生在有比当前进程剩余时间片更短的进程到达时，也称为最短剩余时间优先调度（Shortest-Remaining-Time-First, SRTF）。

SJF最优

对一组指定的进程而言，它给出了最短的平均等待时间。

下一个CPU区间长度的预测

SJF算法困难：如何知道下一个CPU区间的长度。

SJF通常用于长程调度。

指数估算法：通过先前的CPU区间长度及其指数平均进行预测。

CPU调度算法2（PR和RR）

CPU调度算法3（MLQ, MLFQ和多处理调度）

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