进程调度概述

定义

进程存在的核心目的：虚拟化CPU，从而支持多个进程在少量的物理CPU上运行（每个进程以为它独享一个CPU）。

进程调度就是选择一个可用的进程（可能从多个可用进程集合中选择）到CPU上执行。单处理器系统从来不会有超过一个进程在运行。如果有多个进程，那么余下的则需要等待CPU空闲并重新调度。

调度队列

进程进入系统时被加入到作业队列中，该队列包含系统中所有进程。

驻留在内存中等待运行的程序保存在就绪队列中，该队列常用链表来实现，其头节点指向链表的第一个和最后一个PCB块的指针。

操作系统也有其他队列。等待特定IO设备的进程列表称为设备队列。每个设备都有自己的设备队列。

操作系统-进程调度_ostep

就绪队列中进程在就绪队列中等待直到被选中执行或被派遣。当进程分配到CPU执行时，可能发生：

  1. 进程发出一个IO请求，并放到IO队列中。
  2. 进程创建新的子进程，并等待其结束。
  3. 进程由于中断而强制释放CPU（被抢占），并被放回到就绪队列中。

即如下图：

操作系统-进程调度_进程调度_02

调度的分类 & 调度程序

调度有以下几种：

  • 长程调度（作业调度）：决定加入待执行进程池
  • 中程调度：决定加入部分/全部位于内存中的进程集合（换入/换出）
  • 短程调度（进程调度）：决定处理器执行哪个可运行进程（执行）
  • I/O调度：决定可用I/O设备处理哪个进程挂起的I/O请求

除I/O调度外，对应到队列如下图所示：

操作系统-进程调度_ostep_03

进程会在各种调度队列之间迁移，为了调度，操作系统必须按某种方式从这些队列中选择进程。进程的选择是由相应的调度程序（scheduler）来执行的。

  • 短程调度程序 从准备执行的进程中选择进程，并为之分配CPU。

    • 短程调度程序通常100ms至少执行一次，由于每次执行之间的时间较短，短程调度程序必须要快。

    • 导致当前进程阻塞或抢占当前运行进程的事件（时钟中断、I/O 中断、操作系统调用、信号）发生时，会调用短程调度程序。

  • 长程调度程序 批处理系统中，进程更多的是被提交，而不是马上执行。这些进程通常放到磁盘的缓冲池里，以便以后执行。长程（作业）调度程序从该池中选择进程，并装入内存以准备执行。

    • 长程调度程序执行的并不频繁，所以长程调度程序能使用更多的时间来选择执行进程。长程调度程序控制多道程序设计的程度（内存中进程的数量）。长程调度程序必须仔细选择执行进程。

    • 绝大多数进程可分为：I/O密集和计算（CPU）密集。为使系统达到平衡和更好的性能，长程调度程序应当选择一个合理的包含I/O为主的和CPU为主的组合进程以充分使用设备和短程调度程序。

    • Linux和Windows系统通常没有长程调度程序，这些系统的稳定性依赖于物理限制，如果系统性能下降很多，会有用户的退出。

  • 中程调度程序 分时系统中可能引入中程调度程序，其核心思想是能够将进程从内存中移出，从而降低多道程序设计的程度，之后进程可以被换入。

三者在执行频繁程度上有较大差别，执行频繁程度：短程调度 > 中程调度 > 长程调度

调度算法

● 非抢占：在这种情况下，一且进程处于运行状态，就会不断执行直到终止，进程要么因为等待I/O，要么因为请求某些操作系统服务而阻塞自己。

● 抢占：当前正运行进程可能被操作系统中断,并转换为就绪态。一个新进程到达时，或中断发生后把一个阻塞态进程置为就绪态时，或出现周期性的时间中断时，需要进行抢占决策。

经典调度

先来先服务 FCFS

算法描述：非抢占、先请求CPU的进程先分配CPU。

缺点：在长短任务混合的场景下对短任务不友好

最短作业优先 SJF(SPN)

算法描述：非抢占、下次选择预计时间最短的进程。

缺点：

  • 必须预知任务运行时间
  • 表现严重依赖于任务到达时间点
  • 不公平，有饥饿风险

在SJF中加入抢占即是最短剩余时间优先。

抢占：

最短剩余时间有限 SRT

算法描述：抢占、选择预期剩余时间最短的进程。

缺点：

  • 必须预知任务运行时间
  • 长任务有饥饿风险

时间片轮转(Round Robin ,RR)

算法描述：抢占、以一个周期（q）产生中断，当中断发生时，当前运行的程序置于就绪队列（队尾）中，然后基于FCFS选择下一个就绪作业运行。

缺点：在任务运行时间相似的场景下平均周转时间高

经典调度算法对比：

操作系统-进程调度_ostep_04

实时调度

每个任务都有截止时间（Deadline）。

软实时（Soft Real Time）：允许超过截止时间、视频播放，每一帧的渲染

硬实时（Hard Real Time）：不允许超过截止时间、自动驾驶汽车的刹车任务

最早截止时间优先 (Earliest Deadline First, EDA )

算法描述：每次调度截止时间最近的任务

缺点：在任务不可调度时，会造成多数任务都错过截止时间（多米诺效应）

优先级调度

算法描述：设置许多独立的队列（queue），每个队列有不同的优先级（priority level）。任何时刻，一个工作只能存在于一个队列中。优先级调度总是优先执行较高优先级的工作（即在较高级队列中的工作）。具有同样的优先级的作业采用轮转调度。

做法：多级反馈队列（Multi-level Feedback Queu, MLFQ）

公平共享调度

  • 每个用户占用的资源是成比例的，而非被任务的数量决定
  • 每个用户占用的资源是可以被计算的
    • 设定"权重值"以确定相对比例（绝对值不重要）
    • 例：权重为4的用户使用资源，是权重为2的用户的2倍

做法：彩票调度

reference

[1] 操作系统概念

[2] 操作系统-精髓与设计原理

[3] 上海交通大学并行与分布式系统研究所-进程/线程调度

[4] 操作系统导论（ostep）

[5] 现代操作系统