操作系统核心原理-3.进程原理(中):进程调度

PS:在多进程并发的环境里,虽然从概念上看,有多个进程在同时执行,但在单个CPU下,在任何时刻只能有一个进程处于执行状态,而其他进程则处于非执行状态。那么问题来了,我们是如何确定在任意时刻到底由哪个进程执行,哪些不执行呢?这就涉及到进程管理的一个重要组成部分:进程调度,跟随本篇来一起复习下进程调度吧!

一、进程调度基础

1.1 进程调度定义

  进程调度是操作系统进程管理的一个重要组成部分,其任务是选择下一个要运行的进程

1.2 进程调度目标

  首先,一般的程序任务分为三种:CPU计算密集型、IO密集型与平衡(计算与IO各半)型,对于不同类型的程序,调度需要达到的目的也有所不同。对于IO密集型,响应时间最重要;对于CPU密集型,则周转时间最重要;而对于平衡型,进行某种响应和周转之间的平衡就显得比较重要。

  因此,进程调度的目标就是要达到极小化平均响应时间、极大化系统吞吐率、保持系统各个功能部件均处于繁忙状态和提供某种貌似公平的机制

PS:为何说要保持系统各个功能部件均处于繁忙状态?因为CPU非常昂贵,让其闲置是一种浪费,因此保持CPU繁忙十分重要。就像生命也非常珍贵,我们只有一只保持学习保持充实的状态,才算不浪费生命。

二、基本调度算法

2.1 先来先服务算法

FCFS

  先来先服务(FCFS)算法是一种最常见的算法,它是人的本性中的一种公平观念。其优点就是简单且实现容易,缺点则是短的工作有可能变得很慢,因为其前面有很长的工作在执行,这样就会造成用户的交互式体验也比较差。

  例如排队办理业务时,你要办理的业务只需要几分钟就可以办好,但是你前面的一个人办理的事情很复杂需要1个小时,这时你需要在他后面等很久,于是你就想到:要是每个人轮流办理10分钟事务的话,那该多好!于是就出现了时间片轮转算法。

2.2 时间片轮转算法

  时间片轮转是对FCFS算法的一种改进,其主要目的是改善短程序的响应时间,实现方式就是周期性地进行进程切换。时间片轮转的重点在于时间片的选择,需要考虑多方因素:如果运行的进程多时,时间片就需要短一些;进程数量少时,时间片就可以适当长一些。因此,时间片的选择是一个综合的考虑,权衡各方利益,进行适当折中。

  但是,时间片轮转的系统响应时间也不一定总是比FCFS的响应时间短。时间片轮转是一种大锅饭的做法,但是现实生活中却是走的“一部分人先富,先富带动后富”的路线。例如,如果有30个任务,其中一个任务只需要1秒时间执行,而其他29个任务需要30秒钟执行,如果因为某种原因,这个只要1秒钟的任务排在另外29个任务的后面轮转,则它需要等待29秒钟才能执行(假定时间片为1秒)。于是,这个任务的响应时间和交互体验就变得非常差。因此,短任务优先算法被提出。

2.3 短任务优先算法

  短任务优先算法的核心是所有的任务并不都一样,而是有优先级的区分。具体来说,就是短任务的优先级比长任务的高,而我们总是安排优先级高的任务先运行

  短任务优先算法又分为两种类型:一种是非抢占式,一种是抢占式。非抢占式当已经在CPU上运行的任务结束或阻塞时,从候选任务中选择执行时间最短的进程来执行。而抢占式则是每增加一个新的进程就需要对所有进程(包括正在CPU上运行的进程)进行检查,谁的时间短就运行谁

  由于短任务优先总是运行需要执行时间最短的程序,因此其系统平均响应时间在以上几种算法中是最优的,这也是短任务优先算法的优点。但短任务优先算法也有缺点:一是可能造成长任务无法得到CPU时间从而导致“肌饿”。二是如何知道每个进程还需要运转多久?于是为了解决第一个缺点,优先级调度算法被提出。而第二个缺点则可以采取一些启发式的方法来进行估算,目前很多的人工智能算法都可以做这个事。

2.4 优先级调度算法

  优先级调度算法给每个进程赋予一个优先级,每次需要进程切换时,找一个优先级最高的进程进行调度。这样如果赋予长进程一个高优先级,则该进程就不会再“饥饿”。事实上,短任务优先算法本身就是一种优先级调度,只不过它给予短进程更高的优先级而已。

  该算法的优点在于可以赋予重要的进程以高优先级以确保重要任务能够得到CPU时间,其缺点则有二:一是低优先级的进程可能会“饥饿”,二是响应时间无法保证。第一个缺点可以通过动态地调节任务的优先级解决,例如一个进程如果等待时间过长,其优先级将因持续提升而超越其他进程的优先级,从而得到CPU时间。第二个缺点可以通过将一个进程优先级设置为最高来解决,但即使将优先级设置为最高,但如果每个人都将自己的进程优先级设置为最高,其响应时间还是无法保证。

2.5 混合调度算法

  之前的算法都存在一定缺点,那么可否有一个算法混合他们的优点,摒弃它们的缺点,这就是所谓的混合调度算法。混合调度算法将所有进程分为不同的大类,每个大类为一个优先级。如果两个进程处于不同的大类,则处于高优先级大类的进程优先执行;如果处于同一个大类,则采用时间片轮转算法来执行。混合调度算法的示意图如下图所示:

2.5 进程调度的过程

三、调度异常之优先级倒挂

3.1 何为优先级倒挂

  优先级倒挂指的是一个低优先级任务持有一个被高优先级任务所需要的共享资源。这样高优先级任务因为资源缺乏而处于受阻状态,一直到低优先级任务释放资源为止。这样实际上造成了这两个任务的优先级倒挂。

3.2 优先级倒挂的表现形式

  (1)不持有资源的低优先级进程阻碍需要资源的高优先级进程的执行;

  (2)持有资源的优先级进程阻碍需要资源的高优先级进程的执行;

3.3 优先级倒挂的预防办法

  (1)针对第一种形式,可以使用中断禁止的方法,其核心是通过禁止中断来保护临界区。

  (2)针对第二种形式,不能让低优先级进程持有高优先级进程所需要的资源,则可以通过优先级上限和优先级继承来实现。

  优先级倒挂问题,后面会详细学习,到时再详细说说。当然,欲知后事如何,请看下回分解

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参考资料

邹恒明,《操作系统之哲学原理》,机械工业出版社

 

posted @ 2015-12-05 00:23 Edison Chou 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏