進程調度概述
定義
進程存在的核心目的：虛擬化CPU，從而支持多個進程在少量的物理CPU上運行（每個進程以為它獨享一個CPU）。
進程調度就是選擇一個可用的進程（可能從多個可用進程集合中選擇）到CPU上執行。單處理器系統從來不會有超過一個進程在運行。如果有多個進程，那么余下的則需要等待CPU空閑並重新調度。
調度隊列
進程進入系統時被加入到作業隊列中，該隊列包含系統中所有進程。
駐留在內存中等待運行的程序保存在就緒隊列中，該隊列常用鏈表來實現，其頭節點指向鏈表的第一個和最后一個PCB塊的指針。
操作系統也有其他隊列。等待特定IO設備的進程列表稱為設備隊列。每個設備都有自己的設備隊列。
就緒隊列中進程在就緒隊列中等待直到被選中執行或被派遣。當進程分配到CPU執行時，可能發生：
- 進程發出一個IO請求，並放到IO隊列中。
- 進程創建新的子進程，並等待其結束。
- 進程由於中斷而強制釋放CPU（被搶占），並被放回到就緒隊列中。
即如下圖：
調度的分類 & 調度程序
調度有以下幾種：
- 長程調度（作業調度）：決定加入待執行進程池
- 中程調度：決定加入部分/全部位於內存中的進程集合（換入/換出）
- 短程調度（進程調度）：決定處理器執行哪個可運行進程（執行）
- I/O調度：決定可用I/O設備處理哪個進程掛起的I/O請求
除I/O調度外，對應到隊列如下圖所示：
進程會在各種調度隊列之間遷移，為了調度，操作系統必須按某種方式從這些隊列中選擇進程。進程的選擇是由相應的調度程序（scheduler）來執行的。
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短程調度程序 從准備執行的進程中選擇進程，並為之分配CPU。
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短程調度程序通常100ms至少執行一次，由於每次執行之間的時間較短，短程調度程序必須要快。
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導致當前進程阻塞或搶占當前運行進程的事件（時鍾中斷、I/O 中斷、操作系統調用、信號）發生時，會調用短程調度程序。
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長程調度程序 批處理系統中，進程更多的是被提交，而不是馬上執行。這些進程通常放到磁盤的緩沖池里，以便以后執行。長程（作業）調度程序從該池中選擇進程，並裝入內存以准備執行。
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長程調度程序執行的並不頻繁，所以長程調度程序能使用更多的時間來選擇執行進程。長程調度程序控制多道程序設計的程度（內存中進程的數量）。長程調度程序必須仔細選擇執行進程。
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絕大多數進程可分為：I/O密集和計算（CPU）密集。為使系統達到平衡和更好的性能，長程調度程序應當選擇一個合理的包含I/O為主的和CPU為主的組合進程以充分使用設備和短程調度程序。
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Linux和Windows系統通常沒有長程調度程序，這些系統的穩定性依賴於物理限制，如果系統性能下降很多，會有用戶的退出。
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中程調度程序 分時系統中可能引入中程調度程序，其核心思想是能夠將進程從內存中移出，從而降低多道程序設計的程度，之后進程可以被換入。
三者在執行頻繁程度上有較大差別，執行頻繁程度：短程調度 > 中程調度 > 長程調度
調度算法
● 非搶占：在這種情況下，一且進程處於運行狀態，就會不斷執行直到終止，進程要么因為等待I/O，要么因為請求某些操作系統服務而阻塞自己。
● 搶占：當前正運行進程可能被操作系統中斷,並轉換為就緒態。一個新進程到達時，或中斷發生后把一個阻塞態進程置為就緒態時，或出現周期性的時間中斷時，需要進行搶占決策。
經典調度
先來先服務 FCFS
算法描述：非搶占、先請求CPU的進程先分配CPU。
缺點：在長短任務混合的場景下對短任務不友好
最短作業優先 SJF(SPN)
算法描述：非搶占、下次選擇預計時間最短的進程。
缺點：
- 必須預知任務運行時間
- 表現嚴重依賴於任務到達時間點
- 不公平，有飢餓風險
在SJF中加入搶占即是最短剩余時間優先。
搶占：
最短剩余時間有限 SRT
算法描述：搶占、選擇預期剩余時間最短的進程。
缺點：
- 必須預知任務運行時間
- 長任務有飢餓風險
時間片輪轉(Round Robin ,RR)
算法描述：搶占、以一個周期（q）產生中斷，當中斷發生時，當前運行的程序置於就緒隊列（隊尾）中，然后基於FCFS選擇下一個就緒作業運行。
缺點：在任務運行時間相似的場景下平均周轉時間高
經典調度算法對比：
實時調度
每個任務都有截止時間（Deadline）。
軟實時（Soft Real Time）：允許超過截止時間、視頻播放，每一幀的渲染
硬實時（Hard Real Time）：不允許超過截止時間、自動駕駛汽車的剎車任務
最早截止時間優先 (Earliest Deadline First, EDA )
算法描述：每次調度截止時間最近的任務
缺點：在任務不可調度時，會造成多數任務都錯過截止時間（多米諾效應）
優先級調度
算法描述：設置許多獨立的隊列（queue），每個隊列有不同的優先級（priority level）。任何時刻，一個工作只能存在於一個隊列中。優先級調度總是優先執行較高優先級的工作（即在較高級隊列中的工作）。具有同樣的優先級的作業采用輪轉調度。
做法：多級反饋隊列（Multi-level Feedback Queu, MLFQ）
公平共享調度
- 每個用戶占用的資源是成比例的，而非被任務的數量決定
- 每個用戶占用的資源是可以被計算的
- 設定"權重值"以確定相對比例（絕對值不重要）
- 例：權重為4的用戶使用資源，是權重為2的用戶的2倍
做法：彩票調度
reference
[1] 操作系統概念
[2] 操作系統-精髓與設計原理
[3] 上海交通大學並行與分布式系統研究所-進程/線程調度
[4] 操作系統導論（ostep）
[5] 現代操作系統