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处理机调度

处理机调度概念

基本概念

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当有一堆任务要处理,但由于资源有限,这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则决定处理这些任务的顺序,这就是“调度”研究的问题。

在多道程序系统中,进程的数量往往是多于处理机的个数的,这样不可能同时并行地处理各个进程。 处理机调度,就是从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行,以实现进程的并发执行。

三个层次

高级调度(作业调度)

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由于内存空间有限,有时无法将用户提交的作业全部放入内存,因此就需要确定某种规则来决定将作业调入内存的顺序。

高级调度(作业调度)。按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个(或多个)作业, 给他们分配内存等必要资源,并建立相应的进程(建立PCB),以使它(们)获得竞争处理机的权利

高级调度是辅存(外存)与内存之间的调度。每个作业只调入一次,调出一次。作业调入时会建立相应的PCB,作业调出时才撤销PCB。高级调度主要是指调入的问题,因为只有调入的时机需要操作系统来确定,但调出的时机必然是作业运行结束才调出。

中级调度(内存调度)

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引入了虚拟存储工作之后,可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且 内存又稍有空闲时,再重新调入内存。

这么做的目的是为了提高内存利用率系统吞吐量

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。值得注意的是,PCB并不会一起调到外存,而是会常驻内存。PCB中会记录进程数据在外存中的存放位置,进程状态等信息,操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到的挂起队列中。

中级调度(内存调度),就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。 一个进程可能会被多次调出、调入内存,因此中级调度发生的频率要比高级调度更高

补充知识:进程的“挂起态”与七状态模型

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态(挂起态,suspend)

挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态

五状态模型 —> 七状态模型

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低级调度(进程调度)

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低级调度(进程调度),其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程,将处理机分配给它。 进程调度是操作系统中最基本的一种调度,在一般的操作系统中都必须配置进程调度。 进程调度的频率很高,一般几十毫秒一次。

三个调度的联系、对比

调度类型 要做什么 调度发生在… 发生频率 对进程状态的影响
高级调度 (作业调度) 按照某种规则,从后备队列中选择合适的作业将其调入内存,并为其创建进程 外存 -> 内存 (面向作业) 最低 无 -> 创建态 -> 就绪态
中级调度 (内存调度) 按照某种规则, 从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存 外存 -> 内存 (面向进程) 中等 挂起态 -> 就绪态 (阻塞挂起 -> 阻塞态)
低级调度 (进程调度) 按照某种规则, 从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机 内存 -> CPU 最高 就绪态 -> 运行态

小结

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进程调度的时机、切换与过程、方式

进程调度的时机

进程调度(低级调度),就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机。

什么时候需要进程调度

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什么时候不能进行进程调度

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进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换

临界资源:一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥地访问临界资源。

临界区:访问临界资源的那段代码。

内核程序临界区一般是用来访问某种内核数据结构的,比如进程的就绪队列(由各就绪进程的PCB组成)

内核程序临界区访问的临界资源如果不尽快释放的话,极有可能影响到操作系统内核的其他管理工作。因此在访问内核程序临界区期间不能进行调度与切换。

普通临界区访问的临界资源不会直接影响操作系统内核的管理工作。 因此在访问普通临界区时可以进行调度与切换。

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方式

非剥夺调度方式(非抢占式)

非剥夺调度方式,又称非抢占方式。即,只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便有更紧迫的任务到达,当前进程依然会继续使用处理机,直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。

实现简单,系统开销小但是无法及时处理紧急任务,适合于早期的批处理系统。

剥夺调度方式(抢占式)

剥夺调度方式,又称抢占方式。当一个进程正在处理机上执行时,如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机,则立即暂停正在执行的进程,将处理机分配给更重要紧迫的那个进程。

可以优先处理更紧急的进程,也可实现让各进程按时间片轮流执行的功能(通过时钟中断)。适合于分时操作系统、实时操作系统

进程的切换与过程

“狭义的进程调度”与切换的区别

狭义的进程调度指的是从就绪队列中选中一个要运行的进程。(这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程, 也可能是另一个进程,后一种情况就需要进程切换

广义的进程调度包含了选择一个进程和进程切换两个步骤

进程切换过程中需要做什么?

进程切换的过程主要完成了:

  1. 对原来运行进程各种数据的保存

  2. 对新的进程各种数据的恢复

    (如:程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息,这些信息一般保存在进程控制块)

注意进程切换是有代价的,因此如果过于频繁的进行进程调度切换,必然会使整个系统的效率降低, 使系统大部分时间都花在了进程切换上,而真正用于执行进程的时间减少。

小结

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调度算法的评价指标

cpu利用率

由于早期的CPU造价极其昂贵,因此人们会希望让CPU尽可能多地工作

CPU利用率:指CPU “忙碌”的时间占总时间的比例。

利用率 = 忙碌的时间 / 总时间

系统吞吐量

对于计算机来说,希望能用尽可能少的时间处理完尽可能多的作业

系统吞吐量:单位时间内完成作业的数量

系统吞吐量 = 总共完成了多少道作业 / 总共花了多少时间

周转时间

对于计算机的用户来说,他很关心自己的作业从提交到完成花了多少时间。

周转时间,是指从作业被提交给系统开始,到作业完成为止的这段时间间隔。

它包括四个部分:

  1. 作业在外存后备队列上等待作业调度(高级调度)的时间

  2. 进程在就绪队列上等待进程调度(低级调度)的时间

  3. 进程在CPU上执行的时间

  4. 进程等待I/O操作完成的时间。

后三项在一个作业的整个处理过程中,可能发生多次。

周转时间、平均周转时间

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带权周转时间、平均带权周转时间

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等待时间

计算机的用户希望自己的作业尽可能少的等待处理机

等待时间,指进程/作业处于等待处理机状态时间之和,等待时间越长,用户满意度越低。

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对于进程来说,等待时间就是指进程建立后等待被服务的时间之和,在等待I/O完成的期间其实进程也是在被服务的,所以不计入等待时间。

对于作业来说,不仅要考虑建立进程后的等待时间,还要加上作业在外存后备队列中等待的时间

响应时间

对于计算机用户来说,会希望自己的提交的请求(比如通过键盘输入了一个调试命令)尽早地开始被系统服务、回应。

响应时间,指从用户提交请求首次产生响应所用的时间。

小结

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批处理系统调度算法

Tips:各种调度算法的学习思路

  1. 算法思想

  2. 算法规则

  3. 这种调度算法是用于 作业调度 还是 进程调度?

  4. 抢占式?非抢占式?

  5. 优点和缺点

  6. 是否会导致饥饿 (饥饿:某进程/作业长期得不到服务)

先来先服务(FCFS)

FCFS, First Come First Serve

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短作业优先(SJF)

SJF, Shortest Job First

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SJF,非抢占式短作业优先

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SRTN,抢占式的短作业优先算法,又称“最短剩余时间优先算法

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高响应比优先(HRRN)

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小结

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注:这几种算法主要关心对用户的公平性、平均周转时间、平均等待时间等评价系统整体性能的指标,但是不关心“响应时间”,也并不区分任务的紧急程度,因此对于用户来说,交互性很糟糕。因此这三种算法一般适合用于早期的批处理系统,当然,FCFS算法也常结合其他的算法使用,在现在也扮演着很重要的角色。而适合用于交互式系统的调度算法将在下个小节介绍…

交互式系统调度算法

时间片轮转调度算法(RR)

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一般来说,设计时间片要让切换进程的开销占比不超过1%。

举例

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优先级调度算法

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举例(非抢占式优先级调度算法)

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举例(抢占式优先级调度算法)

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多级反馈队列调度算法

思考

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举例

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小结

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