操作系统——CPU Scheduling

211复习资料

1. Basic Concepts

• multiprogramming最大化利用CPU，CPU-I/O Cycle（CPU burst-I/O burst）
  • 　　CPU burst曲线称指数形式，I/O约束程序有短CPU burst，CPU约束程序有长CPU burst
• CPU scheduler 
  • 　　CPU进程选择由short term或CPU scheduler进行。
  • preemtive: 抢占调度
• Dispatcher
  • 　　切换上下文
  •       切换到user model
  •       调到用户程序的合适位置，以重新启动程序
  • 要快！dispatch latency是dispatcher要花的时间
• Scheduling Criteria:
  • CPU使用率：40%~90%
  • Throughput吞吐量：一个时间单元完成的进程数量。
  • Turnaround time周转时间：运行改进程要花多长时间。包括等待进入内存，waiting，CPU和I/O上的时间
  • Waiting time等待时间：CPU调度算法之影响等待时间。即进程在就绪队列所花时间之和
  • Response time响应时间：从提交请求到产生第一响应的时间。受设备影响。
Scheduling Algorithm: FCFS: first come, first served(FCFS) : non-preemptive
• 用FIFO队列实现。进程进入就绪队列，PCB连接队列的尾部。CPU分配给队列头的进程。
• 实现简单，平均等待时间长。
• eg.  

  进程	区间时间
  P1	24
  P2	3
  P3	3

• P1 （0-24）

  P2（3）

  P3（3）

• 　　P1等待0ms, P2等24ms，P3等27ms.
• 平均等待时间（24+27）/3 = 17ms

• P2（0-3）

  P3  （3-6）

  P1（6-30）

• 平均等待时间（6+3）/3 = 3ms
• convoy effect会导致CPU和设备使用效率降低
• SJF: shortest-job-first scheduling algorithm:
  • 赋值给最短下一个CPU区间，长度相同时为FCFS
  • eg.

    进程	区间时间
    P1	6
    P2	8
    P3	7
    P4	3

  • 　　

    P4 (0-3)

    P1 (3-9)

    P3 (9-16)

    P2  (17-24)

  • 平均等待时间：(3+16+9+0)/4 = 7ms
  • 平均等待时间最小。Longterm调度。难以确定下一个CPU区间的长度。对于批处理系统的长期调度，将提交作业时制定的进程时间极限作为长度。
  • 不能用于short term调度上实现，因为难以预测下一个CPU长度，但可以预测下一个CPU区间的进程。
  • 有抢占/非抢占两种：抢占SJF调度称为shortest-remaining-time-first scheduling

  • 进程	到达时间	区间时间
    P1	0	8
    P2	1	4
    P3	2	9
    P4	3	5

  • P1先执行1个时间单位，然后P1剩下7个时间单位，P2 P4 P1 P3
  • 平均等待时间：注意arrival time
• length of next CPU burst 
  • ζn+1 = αtn+(1-α)ζn    α--加权
• example
• Priority Scheduling algorithm
  • 最高优先级分配给CPU，相同优先级FCFS。
  • 小数字表示高优先级

  • 进程	区间时间	优先级
    P1	10	3
    P2	1	1
    P3	2	4
    P4	1	5
    P5	5	2

  • 8.2ms
  • indefinite blocking无限阻塞/starvation饥饿：可运行但缺乏CPU，永远等待CPU
  • 解决方法aging：每隔一段时间递减进程的优先级
• RR（round-robin）
  • time sharing system.
  • 一个单位的时间：time quantum or time slice，10-100ms。ready queue时环形队列
  • 新进程在队列尾端，CPU从头开始取。设置timer在1个时间量后中断。
  • 如果进程小于1个时间量，CPU提前释放/如果进程大于1个时间量，中断，执行context switch，将该进程移到队列尾部。
  • 等待时间长。

    • 进程	区间时间
      P1	24
      P2	3
      P3	3

  • time quantum is 4ms
  • 如果队列中有n个进程，时间单元为q，则每个进程有1/n的CPU时间，长度小于q的时间单元
  • 如果时间单位足够大，和FCFS相同，如果小，会有大量的context switch。因此time quantum应适当的大。
  • 如果context switch时间是10%的time quantum，
  • Thrnaround time由time quantum决定
• Multilevel Queue
  • froeground(interactive)-RR /80%
  • background(batch)-FCFS /20%
  • 队列间通常采用固定优先级抢占调度。
    • 系统进程/交互进程/交互编辑进程/批处理进程/学生进程    
  • 也可以在队列见划分time unit，每个队列有一定的CPU时间，可用于调度队列内的进程。
  • 不够灵活，低调度开销，队列间不能交换
• Muiltilevel feedback queue
  • 允许队列间移动
  • 如果进程使用过多CPU时间，它会被转移到更低优先级队列。低优先级中等待时间长的进程会被转移到更高优先级队列
  • 给CPU区间低的进程最高优先级。
• Real time CPU scheduling
  • Software: 不知道critical real-time process什么时候执行。
  • Hardware: deadline
  Latency: interrupt latency:  
  • 　 dispatch latency: Conflict phase: preemption of any process running in kernel mode. 低优先度的资源释放资源
• Priority based scheduling
  • 必须preemptive。软件上real time
  • periodic ones require CPU at constant intervals.
• Rate Monotonic Scheduling
  • shorter periods有高有夏季
  • 　　missed deadlines
• earliest deadline first scheduling(EDF)