处理器调度及算法

在多道程序环境下,主存中有着多个进程,其数目往往多于处理机数目。这就要求系统能按某种算法,动态地把处理机分配给就绪队列中的一个进程,使之执行。分配处理机的任务是由处理机调度程序完成的。由于处理机是最重要的计算机资源,提高处理机的利用率及改善系统性能(吞吐量、响应时间),在很大程度上取决于处理机调度性能的好坏,因而,处理机的调度问题便成为操作系统设计的中心问题之一。

处理器调度

在多道程序系统中,一个作业被提交后必须经过处理机调度后,方能获得处理机执行。对于批量型作业而言,通常需要经历作业调度(又称高级调度或长程调度)和进程调度(又称低级调度或短程调度)两个过程后方能获得处理机;对于终端型作业,则通常只需经过进程调度即可获得处理机。在较完善的操作系统中,为提高内存的利用率,往往还设置了中级调度(又称中程调度)。

高级调度(High Level Scheduling)又称为作业调度或长程调度(LongTerm Scheduling),其主要功能是根据某种算法,把外存上处于后备队列中的那些作业调入内存,也就是说,它的调度对象是作业。

作业(Job)。作业是一个比程序更为广泛的概念,它不仅包含了通常的程序和数据,而且还应配有一份作业说明书,系统根据该说明书来对程序的运行进行控制。在批处理系统中,是以作业为基本单位从外存调入内存的。

低级调度(Low Level Scheduling)称为进程调度或短程调度(ShortTerm Scheduling),它所调度的对象是进程(或内核级线程)。

低级调度的主要功能如下

(1) 保存处理机的现场信息。在进程调度进行调度时,首先需要保存当前进程的处理机的现场信息,如程序计数器、多个通用寄存器中的内容等,将它们送入该进程的进程控制块(PCB)中的相应单元。

(2) 按某种算法选取进程。低级调度程序按某种算法如优先数算法、轮转法等,从就绪队列中选取一个进程,把它的状态改为运行状态,并准备把处理机分配给它。

(3) 把处理器分配给进程。由分派程序(Dispatcher)把处理器分配给进程。此时需为选中的进程恢复处理机现场,即把选中进程的进程控制块内有关处理机现场的信息装入处理器相应的各个寄存器中,把处理器的控制权交给该进程,让它从取出的断点处开始继续运行。

进程调度中的三个基本机制:

(1) 排队器。为了提高进程调度的效率,应事先将系统中所有的就绪进程按照一定的方式排成一个或多个队列,以便调度程序能最快地找到它。

(2) 分派器(分派程序)。分派器把由进程调度程序所选定的进程,从就绪队列中取出该进程,然后进行上下文切换,将处理机分配给它。

(3) 上下文切换机制。当对处理机进行切换时,会进行程序执行环境的上下文切换,如操作系统保存当前进程的上下文,并且装入新选进程的上下文。

进程调度方式:

1) 非抢占方式(Nonpreemptive Mode)

2) 抢占方式(Preemptive Mode)

中级调度(Intermediate Level Scheduling)又称中程调度(Medium-Term Scheduling)。引入中级调度的主要目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。为此,应使那些暂时不能运行的进程不再占用宝贵的内存资源,而将它们调至外存上去等待,把此时的进程状态称为就绪驻外存状态或挂起状态。

调度算法

在OS中调度的实质是一种资源分配,因而调度算法是指:根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法。对于不同的系统和系统目标,通常采用不同的调度算法,例如,在批处理系统中,为了照顾为数众多的短作业,应采用短作业优先的调度算法;又如在分时系统中,为了保证系统具有合理的响应时间,应采用轮转法进行调度。目前存在的多种调度算法中,有的算法适用于作业调度,有的算法适用于进程调度;但也有些调度算法既可用于作业调度,也可用于进程调度。

先来先服务调度算法

先来先服务(FCFS)调度算法是一种最简单的调度算法,该算法既可用于作业调度,也可用于进程调度。当在作业调度中采用该算法时,每次调度都是从后备作业队列中选择一个或多个最先进入该队列的作业,将它们调入内存,为它们分配资源、创建进程,然后放入就绪队列。在进程调度中采用FCFS算法时,则每次调度是从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程,为之分配处理机,使之投入运行。该进程一直运行到完成或发生某事件而阻塞后才放弃处理机。

FCFS 算法比较有利于长作业(进程),而不利于短作业(进程)。FCFS 调度算法有利于CPU 繁忙型的作业,而不利于I/O 繁忙型的作业(进程)。CPU 繁忙型作业是指该类作业需要大量的CPU 时间进行计算,而很少请求I/O。

短作业(进程)优先调度算法

短作业(进程)优先调度算法SJ(P)F,是指对短作业或短进程优先调度的算法。它们可以分别用于作业调度和进程调度。短作业优先(SJF)的调度算法是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业,将它们调入内存运行。而短进程优先(SPF)调度算法则是从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程,将处理机分配给它,使它立即执行并一直执行到完成,或发生某事件而被阻塞放弃处理机时再重新调度。

高优先权优先调度算法

为了照顾紧迫型作业,使之在进入系统后便获得优先处理,引入了最高优先权优先(FPF)调度算法。当用于进程调度时,该算法是把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程,这时,又可进一步把该算法分成如下两种:

1) 非抢占式优先权算法

在这种方式下,系统一旦把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程后,该进程便一直执行下去,直至完成;或因发生某事件使该进程放弃处理机时,系统方可再将处理机重新分配给另一优先权最高的进程。

2) 抢占式优先权调度算法

在这种方式下,系统同样是把处理机分配给优先权最高的进程,使之执行。但在其执行期间,只要又出现了另一个其优先权更高的进程,进程调度程序就立即停止当前进程(原优先权最高的进程)的执行,重新将处理机分配给新到的优先权最高的进程。

基于时间片的轮转调度算法

在分时系统中,为保证能及时响应用户的请求,必须采用基于时间片的轮转式进程调度算法。在早期,分时系统中采用的是简单的时间片轮转法;进入20 世纪90年代后,广泛采用多级反馈队列调度算法。

1) 时间片轮转法

在早期的时间片轮转法中,系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则排成一个队列,每次调度时,把CPU 分配给队首进程,并令其执行一个时间片。时间片的大小从几ms 到几百ms。当执行的时间片用完时,由一个计时器发出时钟中断请求,调度程序便据此信号来停止该进程的执行,并将它送往就绪队列的末尾;然后,再把处理机分配给就绪队列中新的队首进程,同时也让它执行一个时间片。这样就可以保证就绪队列中的所有进程在一给定的时间内均能获得一时间片的处理机执行时间。

在时间片轮转算法中,时间片的大小对系统性能有很大的影响,如选择很小的时间片将有利于短作业,因为它能较快地完成,但会频繁地发生中断、进程上下文的切换,从而增加系统的开销;反之,如选择太长的时间片,使得每个进程都能在一个时间片内完成,时间片轮转算法便退化为FCFS算法,无法满足交互式用户的需求。

2) 多级反馈队列调度算法

相比于其他几种调度算法,多级反馈队列调度算法是目前被公认的一种较好的进程调度算法。如短进程优先的调度算法,仅照顾了短进程而忽略了长进程,而多级反馈队列调度算法不必事先知道各种进程所需的执行时间,而且还可以满足各种类型进程的需要。

采用多级反馈队列调度算法的系统中,调度算法的实施过程如下所述:

(1) 应设置多个就绪队列,并为各个队列赋予不同的优先级。第一个队列的优先级最高,第二个队列次之,其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同,在优先权愈高的队列中,为每个进程所规定的执行时间片就愈小。

(2) 当一个新进程进入内存后,首先将它放入第一队列的末尾,按FCFS原则排队等待调度。当轮到该进程执行时,如它能在该时间片内完成,便可准备撤离系统;如果它在一个时间片结束时尚未完成,调度程序便将该进程转入第二队列的末尾,再同样地按FCFS原则等待调度执行;如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成,再依次将它放入第三队列,……如此下去,当一个长作业(进程)从第一队列依次降到第n队列后,在第n 队列中便采取按时间片轮转的方式运行。

(3) 仅当第一队列空闲时,调度程序才调度第二队列中的进程运行;如果处理机正在第i队列中为某进程服务时,又有新进程进入优先权较高的队列(第1~(i-1)中的任何一个队列),则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机,即由调度程序把正在运行的进程放回到第i队列的末尾,把处理机分配给新到的高优先权进程。

实时调度算法及分类

由于在实时系统中都存在着若干个实时进程或任务,它们用来反应或控制某个(些)外部事件,往往带有某种程度的紧迫性,因而对实时系统中的调度提出了某些特殊要求。

1) 非抢占式调度算法

非抢占式轮转调度算法

由一台计算机控制若干个相同的(或类似的)对象,为每一个被控对象建立一个实时任务,并将它们排成一个轮转队列。调度程序每次选择队列中的第一个任务投入运行。当该任务完成后,便把它挂在轮转队列的末尾,等待下次调度运行,而调度程序再选择下一个(队首)任务运行。

非抢占式优先调度算法

如果在实时系统中存在着要求较为严格(响应时间为数百毫秒)的任务,则可采用非抢占式优先调度算法为这些任务赋予较高的优先级。当这些实时任务到达时,把它们安排在就绪队列的队首,等待当前任务自我终止或运行完成后才能被调度执行。

2) 抢占式调度算法

基于时钟中断的抢占式优先权调度算法

在某实时任务到达后,如果该任务的优先级高于当前任务的优先级,这时并不立即抢占当前任务的处理机,而是等到时钟中断到来时,调度程序才剥夺当前任务的执行,将处理机分配给新到的高优先权任务。

立即抢占的优先权调度算法

在这种调度策略中,要求操作系统具有快速响应外部事件中断的能力。一旦出现外部中断,只要当前任务未处于临界区,便立即剥夺当前任务的执行,把处理机分配给请求中断的紧迫任务。

常用的几种实时调度算法

1) 最早截止时间优先即EDF(Earliest Deadline First)算法

该算法是根据任务的开始截止时间来确定任务的优先级。截止时间愈早,其优先级愈高。该算法要求在系统中保持一个实时任务就绪队列,该队列按各任务截止时间的早晚排序;当然,具有最早截止时间的任务排在队列的最前面。调度程序在选择任务时,总是选择就绪队列中的第一个任务,为之分配处理机,使之投入运行。

2) 最低松弛度优先即LLF(Least Laxity First)算法

该算法是根据任务紧急(或松弛)的程度,来确定任务的优先级。任务的紧急程度愈高,为该任务所赋予的优先级就愈高,以使之优先执行。例如,一个任务在200 ms 时必须完成,而它本身所需的运行时间就有100 ms,因此,调度程序必须在100 ms 之前调度执行,该任务的紧急程度(松弛程度)为100 ms。又如,另一任务在400 ms 时必须完成,它本身需要运行150 ms,则其松弛程度为250 ms。在实现该算法时要求系统中有一个按松弛度排序的实时任务就绪队列,松弛度最低的任务排在队列最前面,调度程序总是选择就绪队列中的队首任务执行。

时钟

很多计算机化的活动都是由定时测量来驱动的,这常常对用户是不可见的。例如。当你停止使用计算机的控制台后,屏幕会自动关闭,这得归纳于定时器,它允许内核跟踪你按键或移动鼠标后到现在过了多少时间。如果你收到了一个来自系统的警告信息,希望你删除一组不用的文件,这就是由于有一个程序能识别长时间未被访问的所有用户文件。为了进行这些操作,程序必须能从每个文件中检索到文件的最后访问时间,即时间戳(timestamp),因此,这样的时间标记必须由内核自动第设置。更重要的是,定时机制连同一些更可见的内核活动(如检查超时)来驱使进程切换。

常用的定时器包括:实时时钟(RTC)、时间戳计时器(TSC)、可编程间隔定时器(PIT)、CPU本地定时器、高精度事件定时器(HPET)、ACPI电源管理定时器。

引申阅读

银行家算法 鹿橙子,公众号:鹿与橙子操作系统——“银行家算法”

其他关键字

  • 死锁——操作系统
  • 微内核

  1. 《操作系统精髓与设计原理》
  2. 《计算机操作系统 第三版》
  3. https://blog.csdn.net/wljliujuan/article/details/79614019
  4. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BE%AE%E5%85%A7%E6%A0%B8
  5. https://0cch.com/2013/08/04/e4bdbfe794a8e58fafe7bc96e7a88be997b4e99a94e5ae9ae697b6e599a8programmable-interval-timere7bc96e58699e7b3bbe7bb9fe697b6e9929f/

原文发布于微信公众号 - BanzClub(banz-club)

原文发表时间:2019-06-24

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