【操作系統】5、CPU調度策略

CPU調度的概念：

見之前寫的“CPU管理的直觀想法和多進程圖像”

 

CPU調度的動機

面對諸多的場景，如何設計調度算法呢？首先，我們要明白我們的算法應該讓什么更好呢？

面對客戶：銀行調度算法的設計目標應該是用戶滿意； 而面對進程：CPU調度的目標應該是進程滿意。

那怎么才能讓進程滿意呢？那就是時間了。進程希望盡早地結束任務，這就是周轉時間(從任務到達到任務結束)要短，而且希望用戶的操作能夠盡快地被響應，這就是響應時間(從操作發生到響應)要短。而且系統內耗時間要少，吞吐量(任務的完成量)要大，系統需要把更多的時間用在任務的執行上，而不能老是去做無關緊要的事情，例如：頻繁切換任務，切換棧，分配資源等事情。

同時，系統還要去合理地調配任務。那么，CPU的調度策略如何做到合理呢？首先得明白系統中有以下的幾種矛盾。

1.吞吐量和響應時間之間有矛盾響應時間小=>切換次數多=>系統內耗大=>吞吐量小由於需要較短的響應時間，那么就得頻繁地切換任務，這樣系統的很多時間都花在切換任務上面了，系統的內耗大了，吞吐量就小了。

2.前台任務和后台任務的關注點不同前台任務關注響應時間，后台任務關注周轉時間。前台任務例如我們的word文檔，我們打一個字，需要立馬顯示在文檔中，這就是word文檔這個任務關注的是響應時間；而后台任務中，例如我們的javac編譯java代碼，它的周轉時間要小，即該任務從進入到結束所花的時間要小，即編譯完成的時間要小。

3.IO約束型任務和CPU約束型任務各有各的特點IO約束型任務就是使用CPU的時間較少，進行IO操作的時間較長，CPU約束型的任務就是使用CPU的時間較長。因此，要做到合理，需要折中、綜合考慮以上的幾種矛盾。

 

基本的CPU調度策略：

1、先到先服務(FCFS)：

采用這種方案，先請求的進程先得到CPU，由於是非搶先調度，所以一個進程得到CPU后，會一直占用CPU到該進程結束。

• 優點：簡單，理解容易
• 缺點：進程平均等待時間長，假設一組進程(P1, P2, P3)，所需時間(24, 3, 3), CPU執行長度按ms記，按照FCFS算法，執行順序為(P1, P2, P3)則平均等待時間為 (0 + 24 + 27) / 3 = 17ms，如果執行順序為(P2, P3, P1), 則平均等待時間為(0 + 3 + 6) / 3 = 3ms，這個減少是相當大的

2、 最短作業優先(SJF)：

這個算法將每個進程與下次CPU執行的長度關聯起來，當CPU變為空閑時，它會被賦給CPU執行時間最短的進程。

對於任意一組給定的進程，SJF算法的平均等待時間最小，因為總是可以通過把短進程移到長進程之前，來使平均等待時間減少。

• 優點：如果能夠實現將是最優的。
• 缺點：這個算法有一個附加的問題，就是如何准確地知道每個進程所需要的時間，這是很困難的，所以SJF算法經常用於長期調度，將用戶提交作業時指定的進程時限作為長度。

3、優先級調度(priority-scheduling)：

每個進程都有一個優先級，進程的執行順序按照優先級，SJF算法也屬於優先級調度，其優先級為CPU執行時間的倒數，優先級調度可以是搶占的或非搶占的。
該算法的一個問題是可能導致無限阻塞或飢餓，一個解決的辦法稱為老化，每隔一段時間就將所有處於等待狀態的進程的優先級提高一級，這樣可以證明，在不超過一個常數的時間內，所有進程都會執行。

 

4、 輪轉(RR)：該算法是專門為分時系統設計的，類將一個較小的時間單元定義為 時間片，通常為10ms~100ms，就緒隊列為一個 循環隊列，為每一個進程分配不超過一個時間片的CPU，如進程(P1, P2, P3)對應的CPU為(24, 3, 3)，如果使用4ms的時間片，那每個時間片中執行的進程為(P1, P2, P3, P1, P1, P1, P1, P1)，等待時間6ms, 4ms, 7ms, 平均等待時間為 (6 + 4 + 7) / 3 = 5.6667ms。

說到這里，SJF是關注系統的平均周轉時間，而RR算法是關注系統的響應時間，但是如果一個系統需要響應時間小和周轉時間小同時存在，那該怎么辦？

比如word很關心響應時間，而javac編譯java程序更關心周轉時間，兩類任務同時存在該怎么辦？

即前台的任務更關心響應時間，因為前台任務是與用戶直接進行交互的，需要快速響應用戶的請求，后台任務更關心周轉時間，需要快速的結束任務的。

一個很直觀的想法，定義前台任務和后台任務兩條隊列，前台使用RR算法，后台使用SJF算法，只有前台任務沒有時才調度后台任務。

但是這樣又會產生問題，如果一直有前台任務怎么辦，那這樣后台任務就永遠得不到調度了。

在這里有一個有趣的小故事：1973年有位工作人員去關閉MIT的IBM7094計算機時，發現有一個進程在1967年提交但一直未運行。

這時候我們可以讓后台的任務優先級動態升高，但后台任務(用SJF調度)一旦執行，那前台任務的響應時間又得變大了。

如果我們前后台任務都用時間片，那又退化為了RR算法。

所以，問題還有很多等着我們去發現去想辦法解決。

如我們怎么知道哪些是前台任務那些是后台任務呢，前台任務難道就沒有后台任務的工作？后台任務難道沒有前台任務的工作？SJF中的短作業優先如何體現？如何判斷作業的長度？

參考：

1、https://zhuanlan.zhihu.com/p/111813230

2、https://zhuanlan.zhihu.com/p/142812907

3、https://zhuanlan.zhihu.com/p/96837740