【操作系统】进程调度(3):RR(轮转) 算法 原理与实践
0 前言
接上一篇文章:进程调度(2b):STCF(最短完成时间优先) 算法 原理与实践
1 前提铺垫
除了与上一篇相同的,这里介绍新的基础知识。
1.1 三种类型的程序
- 计算密集型(CPU导向)
- 输入输出密集型(I/O导向)
- 中间型
所谓计算密集型程序,就是大量时间都在占用CPU做运算,例如科学计算。而输入输出密集型程序,则大量时间都在进行输入输出,你很熟悉它,例如人机交互,我们每时每刻都在用计算机干这个事情。中间型就是二者都有,占比差不多。
那么介绍这个有什么用?
当我们的目标不同的时候,性能指标的评价标准也不同,对于计算密集型程序,我们可能更关注它的Turnaround Time,而对于(交互型的)输入输出密集型程序,我们可能更关注它的Response Time。后续我们会对算法进行性能评价,设计目标很重要不是吗?
1.2 响应时间(Response Time)
这是一个新的性能指标。
Response Time: the time a job spends waiting after arrival before first running.
所谓响应时间,就是从任务到达后,到第一次被执行的等待时间。这个概念在分时操作系统诞生后变得尤为重要,用户是“独占”计算机的,并且是交互式界面,所以对用户来说,响应时间非常重要,用户必须等待很短的时间就能看到一部分结果。
试想一个场景,你敲击了键盘的字母Z,然后在10s之后,才看见屏幕显示了Z……这真的令人抓狂不是吗?
我们需要做的,就是让用户快速看到自己的成果,此时,并不需要将程序执行完成,将程序运行一点点先给用户显示出来,这对于用户来说是很棒的!
那么应该如何做到这一点?答案就是充分使用上下文切换。还记得上一篇我们的抢占式调度吗?它第一次打破了进程顺序执行,实现了简易的进程(上下文)切换,现在,我们要充分利用上下文切换,来让用户因为快速响应而得到满足了!
但是要警惕!没有必要太快!上下文切换也是需要系统开销的,它的占比应该尽可能小,我们后续会深入谈。现在,你只需要知道,响应时间是1s还是0.1s,对用户来说是没有什么区别的,因此我们选择1s即可,这样将上下文切换的数量降低了10倍。
1.3 上下文切换(Context Switch)
好吧……上面说了这么多上下文切换,它到底是个啥?第一篇我提到了底层机制 + 上层策略,当时只是提了一句,现在,我们再进一步说一说。
- 底层机制:上下文切换
- 上层策略:FIFO,SJF,STCF,RR……
在解释这个之前,我们先来谈谈刀吧。对的,就是刀!
你知道的,刀可以削水果,可以切菜,也可以雕刻……但是归根结底,都是在刀足够锋利的前提下,这些事情才能完成,我们分析一下:
- 底层机制:刀足够锋利
- 上层策略:削水果,切菜,雕刻……
也就是说,在刀锋利这个底层机制满足的前提下,我们才能切菜削水果。
好吧现在我们回来,对于进程调度算法而言,也是一样的,我们在能够实现上下文切换(进程切换)的前提下,才能使用各种各样的方法进行进程调度。
你要问我Context Switch是什么样的?我来画张图。
我想你明白了,只是切换而已。如果说更关键的,可能是
- 保存现场和恢复现场是如何实现的?
- 上下文切换的系统开销是多少?
我们先不回答这个问题,你只需要知道,每次上下文切换的时间 / 每个时间片的时间
这个比例应该小一点!(时间片下面就会谈)
2 RR原理
RR(Round - Robin)轮转,轮转算法下,多个进程不再是顺序执行,而是切换式执行,这样对于交互式程序来说,用户就能快速感受到自己执行的操作得到了响应,响应时间短。
2.1 算法
举个例子
- A:20s
- B:20s
- C:20s
在顺序执行下,上述3个进程按照A、B、C的顺序依次执行,如下图:
这样一来,响应时间分别是
- A:0s
- B:20s
- C:40s
对于执行C程序的用户来说,他可能会非常崩溃……响应太慢总是让人发疯的,不是吗?
如果我们采用轮转算法,假定一个时间片为10s,结果就不一样了,所谓时间片,就是指某进程在CPU执行10s,就要被中断,然后让其他进程执行(也就是每隔10s就进行上下文切换)。
我们看看会发生什么:
这样一来,响应时间分别为
- A:0s
- B:10s
- C:20s
响应时间缩短很多了,但是好像还是慢,如果时间片设置为1s呢?响应时间就是0s,1s和2s,这就很棒了!
2.1.1 思考1:时间片可以无限小下去吗?
我们的用户当然想要更快获得响应,但是对于用户来说,1s和0.1s可能没什么差别,所以我们完全可以选择1s,那么,选择更大值的理由是什么?不选0.1s的理由是什么?
答案就是切换上下文需要系统开销,切换上下文的时候,要保存当前程序的状态,我们切换越频繁,系统的额外开销就越多,要之前,顺序执行的时候我们根本不需要这样做,所以,切换上下文带来的开销应该尽可能小一点。
例如,时间片是10ms,切换上下文需要1ms,那么我们需要浪费10%的时间去切换上下文,如果时间片是100ms,就占1%,这还可以接受,物极必反的道理就在于此了。
- 扩展:可以思考下奔腾4的失败,CPU的流水线深度越深性能就越好吗?奔腾4使用了31级流水线,性能反而下降了,现代CPU的流水线也不过十几级,例如i7是14级。
- 推荐阅读:面向流水线的指令设计:奔腾4是怎么失败的?
所以说,时间片是不能无限小下去,它的占比应该小一点,小到什么程度那就与具体需求和实现有关了。
假设切换上下文1s,时间片10s,上面的例子就成了这样:
相关分析请读者自行完成。
2.1.2 思考2:时间片的设置可以是任意的吗?
对于上下文切换这个底层机制的实现,是由软硬件协同完成的,这里有一个重要的概念时钟中断,时钟每隔一段时间,就会中断程序,把控制权从正在执行的程序交还给OS。
因此说,我们的时间片应该是时钟中断周期的整倍数,这样,我们就能保证每个时间片在执行的时候不会被时钟中断所打断(被程序本身的系统调用打断就是另一回事了……)
2.2 缺点:大锅饭式分配 & 增长的周转时间
RR算法下,对所有就绪进程都是一视同仁的,不管你是谁,都会被执行,切断,切换,恢复,再执行,就像大锅饭一样,不管你干活多少,吃的饭都一样。
但是我们知道,不同的程序,重要程度和紧急程度是不一样的,但是RR全忽略了,这显然不合理。
另外,响应时间确实是改进了,但是此时程序周转时间表现不佳,这是显而易见的。
因此我们的算法仍需要进一步改进。
3 RR实践
我们来进行几个模拟,体会上一小节的几个观点吧。
我们先试一下SJF,3个进程都是100s,同时到达
./scheduler.py -p SJF -l 100,100,100 -c
得到的结果是
Average -- Response: 100.00 Turnaround 200.00 Wait 100.00
再试试RR,3进程都是100s,时间片是1s,忽略上下文切换时间
./scheduler.py -p RR -q 1 -l 100,100,100 -c
得到的结果是
Average -- Response: 1.00 Turnaround 299.00 Wait 199.00
你可以充分体会到,SJF的响应时间是RR是100倍,RR的周转时间是SJF是1.5倍,而在更极端的情况下,差距可能会更大。
4 核心思想
目前我们接触到的都是计算密集型程序,而且是100%占用CPU,我们关注了两大性能指标,周转时间和响应时间。
- 关注周转时间的算法:FIFO,SJF和STCF
- 关注响应时间的算法:RR
目前来说,我们还
- 没有同时兼顾周转时间和响应时间的算法
- 没有考虑包含输入输出的程序的算法
这也是接下来我们要改进的。
5 预告:进程调度(4):I/O、不可预测的运行时间
接下来,我们初步为程序引入I/O,并且谈谈最初的一个假设运行时间已知是否现实。
链接:进程调度(4):I/O、不可预测的运行时间
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