《操作系统概念精要》之CPU调度

基本概念

根据之前进程一章中的介绍,进程的执行一般会分为两个执行周期:CPU执行I/O等待

进程调度实际表示.png

抢占调度:在进程执行的过程中,CPU被操作系统中断而执行其他进程的调度,称为抢占调度。
非抢占调度:一个进程分配到CPU 后,该进程会一直占用CPU,直到它终止或者切换到等待状态。

进程调度算法

先到先服务(First-Come First-Served, FCFS)

最简单的调度算法:可以采用FIFO队列实现。

最短作业优先(Shortest-Job-First, SJF)

当CPU变为空闲时,它会执行占用CPU最短的进程。

SJF 调度可以是抢占的,也可以是非抢占的。

优先级调度(priority-scheduling)

每个进程都有优先级关系,而具有最高优先级的进程会分配到CPU。具有相同优先级的可以按照FCFS的算法执行。
通常优先级的的分配根据进程的特点来自己定义的。
优先级调度会产生 无穷阻塞或者 饥饿, 会使优先级低的进程得不到长时间执行。解决方法是老化,当一个进程15分钟没执行,那么它的优先级上升。

时间片轮转调度(Round-Robin, RR)

将一个较小单位定义为一个时间片,时间片的大小一般为10~100ms。就绪队列作为循环队列。CPU调度程序循环整个队列,为每个进程分配不超过一个时间片的CPU。

多级队列调度

将进程分为不同的级别,比如,前台进程和后台进程。这两种类型的进程的响应时间要求不同,进而调度算法也不同。
多级队列调度是将就绪队列分为多个单独的队列。根据进程属性。然后处于不同队列的调度算法不同。

线程调度算法

竞争范围

由线程库调度的线程,他只会和它所在进程之间的线程进行竞争,这叫做进程竞争范围
由内核进行调度的线程,它会和系统中所有线程进行竞争,这种叫做系统竞争范围

Pthreads调度

Pthreads 库的API 实现了两种竞争范围的接口:

  • PTHREAD_SCOPE_PROCESS: 采用进程竞争范围。
  • PTHREAD_SCOPE_SYSTEM: 采用系统竞争范围。

多处理调度

对于多处理系统,CPU 调度的一种方法是让一个处理器 处理所有的调度决定、I/O处理以及其他活动,其他的处理器只执行用户代码。这种称谓非对称多处理。这种调度比较简单,因为不存在多个CPU共享数据。
还有一种方法是对称多处理(SMP)。即每个处理器自我调度,所有进程都可能处于一个共同的就绪队列,或者每个处理器有自己私有的就绪队列。这时就需要保证两个处理器不会同时选择同一个进程。

处理器亲和性: 当一个进程运行在一个特定的处理器上时,它会进行缓存数据。但是当一个进程在下次执行的时候,切换到了其他的处理器时,这个缓存就无效了。所以大多数SMP系统都会保证进程从一个处理器移到另外一个处理器。这就是处理器的亲和性。

负载均衡

SMP系统上,重要的就是保持所有的处理器的负载平衡。否则就会出现,一个或者多个处理器空闲,而其他处理器处于高负载状态。

负责均衡通常有两种办法:推迁移和拉迁移。推迁移指的是一个特定的任务周期性的检查每个处理器的负载,如果发现不平衡,那么通过将进程从超负载处理器推送到空闲的处理器上。对应的,空闲的处理器从忙的处理器上拉取一个任务,就是拉迁移。Linux调度程序实现了这两种技术。

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