十二、单处理器调度

提纲：

处理器调度的类型
单处理器调度算法

8.1处理器调度

长程调度
- 决定哪些新建进程可以进入系统准备执行
- 控制多道程序系统的并发程度
- 进程越多则各进程对CPU的使用百分比越小
中程调度
- 决定交换哪些主存-辅存（内存-外存）进程
- 基于多道程序设计的管理需要
短程调度
- 决定下一个使用CPU的进程（dispacher，分派程序）
调度的层次
调度队列
短程调度时机
- 当前进程正常或异常终止（通过中断实现）
- 时钟或I/O中断
- 系统调用（通过软中断实现）
- 信号量操作（通过软中断实现）
短程调度模式
- 非剥夺式（nonpreemptive）
  - 让进程运行直到结束或阻塞的调度方式
  - 容易实现
  - 适合专用系统，不适合通用系统
- 剥夺式（preemptive）
  - 允许将逻辑上可继续运行的进程在运行过程中暂停的调度方式
  - 可防止单一进程长时间独占CPU
  - 系统开销大（降低途径：硬件实现进程切换，或扩充主存以贮存大部分程序）
短程调度过程
1. 保存现场
2. 根据某种调度算法选择下一个运行的程序
  - 没有就绪程序，系统执行空闲进程
  - 没有其他进程时，该进程一直运行
  - 在执行过程中可接收中断
3. 恢复现场
短程调度目标
- 面向用户的目标与面向系统的目标
- 定量目标与定性目标
- 公平——确保每个进程都获得合理的CPU份额
- 效率——使CPU及其他系统资源尽量忙碌
- 响应时间（从提交到开始输出结果）——尽可能短
  - 在交互式系统中尤为重要
- 周转时间Tr（从提交到结束，也叫驻留时间）——尽可能短
- 吞吐量（单位时间内完成的进程数）——尽可能大
- 实时性——可以指定进程完成的最后期限

8.2进程调度算法

先来先服务（FCFS）
最短进程优先（SPN）
最短剩余优先（SRT）
最高响应比优先（HRRN）
时间片轮转（RR）
最高优先级优先(HPF)
多级队列反馈（MF/FB）

8.2.1先来先服务

当前进程结束后，选择最早到达就绪队列的进程（非剥夺式）
短进程等待执行的时间可能较长
I/O密集进程必须等待CPU密集进程结束

8.2.2最短进程优先

选取估计运行时间最短的进程（非剥夺式）
“长”进程可能饿死
难点：预知或估计进程的执行时间
- 生产环境：统计
- 交互式环境：估计
进程执行时间的估计：“指数平滑”技术
- Sn：第n个实例执行时间的估计值
- Tn：第n个实例执行时间的测量值
- a：加权系数，a值越大，对变化反应越快（对老的运行时间忘记得越快）（0<a<1）

8.2.3最短剩余优先

剥夺式的SPN
- 新进程进入就绪队列时引发重新调度
- 选取估计剩余时间最短的那个进程
需要估计进程剩余执行时间
“长”进程可能饿死

8.2.4最高响应比优先

非剥夺式
选取响应比R最大的进程
- w：等待CPU时间
- s：估计执行时间
- 利于短进程，但长进程也不会饿死
- 同SPN、SRT，要估计执行时间

8.2.5时间片轮转

剥夺式的FCFS
- 把CPU分为若干片，按顺序分配给就绪队列中的各个进程
- 时间片用完时，系统剥夺该进程的CPU，将该进程排列到就绪队列的末尾
- 运行就绪队列头的进程
时间片长度的选择问题：
- 太短：切换开销大
- 太长：响应时间变长
- 一般比典型的一次交互过程时间略长
分时系统和事务处理系统中常用时间片轮转法
有利于CPU密集型进程，不利于I/O密集型进程
虚拟轮转VRR
- 阻塞解除的进程进入辅助队列
- 辅助队列中的进程比就绪队列中的优先获得处理器
- 可解决轮转对I/O密集型进程的不公平性问题

8.2.5最高优先级优先

每个进程被赋予了一个优先级（priority）
每次调度选取就绪队列中优先级最高的进程
优先级确定方法
- 静态：进程创建时指定优先级，在进行运行时优先级保持不变
- 动态：在进程创建时指定一个优先级，但在其生命周期内优先级可以动态变化（如等待时间长的优先级可以提高，时间片过后的优先级可以降低）
实现时可对应不同优先级采取多个就绪队列
优先级排队

8.2.6多级队列反馈（MF/FB）

剥夺式、时间片
关注进程已执行的时间
不用估计（剩余）执行时间
动态优先级
- 设立多个优先级就绪队列，各个队列运行时间片可能不同（优先级越高[i越小]时间片越小：\(2^i\)）
- 新的就绪进程进入最高优先级队列
- 进程由于时间片用完被抢占而放弃CPU，下降一个优先级队列（最高->最低）
- 进程由于等待而放弃CPU后，进入等待队列，一旦等待的时间发生，则回到原来的就绪队列
- 在各优先级队列中采用FCFS（最低级队列中采用RR）
调度：先按FCFS从最高优先级队列中选取，若最高优先级队列为空，按FCFS从次高优先级队列中选取......