OS总结（七）：CPU调度
1.1 上下文切换
切换CPU的当前任务，从一个进程/线程转换到另一个进程/线程；但切换之前要保护现场，保存当前进程/线程在PCB/TCP中的执行上下文（也就是CPU的状态）；切换任务需要读取下一个进程/线程的上下文。
1.2 CPU调度
从就绪队列中挑选一个进程/线程作为CPU将要运行的下一个进程/线程；需要调度程序（挑选进程/线程的内核函数）；需要考虑的问题是调度的时机。
1.3 调度时机
调度发生在进程/线程生命周期的什么时候呢？从一个状态转到另一个状态的时候会发生调度。
1.4 调度的条件
内核运行调度程序的条件如下（满足其一即可）：
（1）一个进程从运行状态切换到等待状态
（2）一个进程被终结了
1.5 CPU调度方式
1.5.1 不可抢占
调度程序必须等待事件结束（效率低，不采用）。
1.5.2 可以抢占
调度程序在中断被响应后执行；当前的进程从运行切换到就绪，或者一个进程从等待切换到就绪；当前运行的进程可以被换出。
2、调度原则
（1）调度策略
（2）程序执行模型
执行模型：程序在CPU突发和I/O中交替。
每个调度决定都是关于在下一个CPU突发时将哪个工作交给CPU；在时间分片机制下，线程可能在结束当前CPU突发前被迫放弃CPU。
（3）比较调度算法的准则
- CPU使用率：CPU处于忙状态所占时间的百分比
- 吞吐量：在单位时间内完成的进程数量
- 周转时间：一个进程从初始化到结束，包括所有等待时间所花费的时间
- 等待时间：进程在就绪队列中的总时间
- 响应时间：从一个请求被提交到产生第一次响应所花费的时间
（4）吞吐量 vs 延迟
- 对快的评价指标：传输文件时的高带宽；玩游戏时的低延迟（这两点相互独立）
- 减少响应时间：及时处理用户的输出并尽快将输出提供给用户
- 减少平均响应时间的波动：在交互系统中，可预测性比高差异/低平均更重要
- 增加吞吐量：减少开支（操作系统开支/上下文切换）；系统资源的高效利用（CPU，I/O设备）
- 减少等待时间：减少每个进程的等待时间
- 低延迟调度增加了交互式表现（个人电脑）：如果移动了鼠标，希望屏幕迅速反馈光标的移动。
- 操作系统保证吞吐量不受影响（服务器）：若想结束长时间的编程，所以操作系统必须不时进行调度，即使存在许多交互任务。
吞吐量是操作系统的计算带宽；响应时间是操作系统的计算延迟。
（5）公平目标
e.g. 保证每个进程占用相同的CPU时间（并不公平，因为一个用户可能比其它用户运行更多进程）；保证每个进程都有相同的等待时间。公平通常会增加平均响应时间。
3、调度算法
3.1 FCFS（先来先服务）
FIFO队列规定，如果进程在执行中阻塞，队列中的下一个会得到CPU。
优点：简单
缺点：平均等待时间波动较大（没有抢占）；花费时间少的任务可能排在花费时间长的任务后面；可能导致I/O和CPU之间的重叠处理（CPU密集型进程会导致I/O设备闲置时，I/O密集型进程也在等待）。
3.2 SRT短剩余时间优先
SPN（SJF）短进程优先（短作业优先）的意思是 选择下一个最短的进程（短任务优先），即按照预测的完成时间排序将任务入列；注意，它可以是抢占的也可以是不抢占的，对于抢占类型的，才是SRT短剩余时间优先。
优点：平均周转时间最少；（下图是一个例子，可以发现SRT的进程平均周转时间会短一些）
缺点：可能导致饥饿（连续的短任务流会使长任务饥饿；短任务可用时的任何长任务的CPU时间都会增加平均等待时间）；
因此就需要预知未来，但是怎么预估下一个CPU突发的持续时间是一个问题；当进程没有进行时无法知道下一个进程是长是短。其中一个简单的解决办法：询问用户。如果用户欺骗就杀死进程；但是用户不知道该怎么处理？一般情况下，根据历史时间分配预估未来时间的分配（也就是根据之前该进程所花的时间来预测它将要花多少时间）：
3.3 HRRN最高响应比优先
在SPN调度的基础上改进（考虑了等待时间，改善饥饿现象）；不可抢占；关注进程等待了多长时间；防止无限期推迟；
R = (w + s) / s （选择R值最高的进程） ，其中w：waiting time（等待时间）s：service time（执行时间）
3.4 Round Robin轮转调度算法
在一个叫做 量子（或时间切片）的离散单元中分配处理器；
如果时间片结束了，那么就接换到下一个准备好的进程(processes execute every (n-1)q time units)；
举一个例子来理解，如下图，先设置一个时间片，例如20，那么就让进程轮流分享这个时间片。先P1执行，用完20后，让出CPU给P2；但是P2只有8，用完直接给P3；同样，P3只用20；以此类推。
上表显示了在不同时间切片长度的情况下，进程的平均等待时间（假设没有上下文切换的时间损失）：上图的Best和Worst FCFS分别对应着短的进程线路和长的进程先来。
（1）优点：公平
（2）缺点：额外的上下文切换花销；如果时间量子太大，则等待时间过长，极限情况下退化成FCFS；如果时间量子太小，虽反应迅速，但是开销大；吞吐量由于大量的上下文切换开销而受到影响
（3）目标：选择一个合适的时间量子
（4）经验规则：维持上下文切换开销处于1%以内
3.5 Multilevel feedback queues多级反馈队列
（1）Multilevel queues多级队列
兼顾到RR和SRT的优点。就绪队列被划分为独立的队列，比如说前台队列是负责交互的进程，后台队列负责批处理进程；而且每个队列可以有自己的调度策略，比如说前台队列可以是RR，后台队列可以是FCFS；需要注意的是调度必须在队列间进行。比如说，固定优先级，例如先处理前台进程，后处理后台，但是可能会造成饥饿；时间切片，每个队列都得到一个确定的能够调度其进程的CPU总时间，例如，80%给前台，20%给后台。
（2）多级反馈队列
对于I/O密集型任务，放在高优先级队列，这里的时间片比较短；对于CPU密集型任务，防止低优先级队列，这里的时间片比较长。（我们希望交互性好，占用资源多的可以放在后面）一个进程可以在不同的队列中移动。例如，时间量子的大小岁优先级级别的增加而增加；如果任务在当前的时间量子中没有完成，那么就降到下一个优先级。
3.6 Fair share scheduling公平共享调度
站在用户的角度实现公平共享CPU资源。因为有的用户可能开的进程多，有的用户进程少。
它考虑了以下情况：一些用户组比其他用户组更重要；保证不重要的组无法垄断资源；未使用的资源按照每个组所分配的资源的比例来分配；没有达到资源使用目标的组获得更高的优先级。
3.7 不同调度模型的评价准则
- 确定性建模：确定一个工作量，然后计算每个算法的表现
- 队列模型：用来处理随机工作负载的数学方法
- 实现/模拟：建立一个允许算法运行实际数据的系统
3.8 面向通用计算系统的调度算法总结
实际上这些调度算法和实际的调度算法是有很多区别的（复杂的多），但是基本的特征是类似的。
（1）FCFS先来先服务：不公平，等待时间较长
（2）SPN/SRT短进程优先：不公平，但是平均等待时间最小；需要精确预测计算机时间；可能导致饥饿；
（3）HRRN最高响应比优先：给予SPN调度的改进；不可抢占；
（4）Round Robin轮循：公平，但是平均等待时间较长；
（5）MLFQ多级反馈队列：根据CPU和I/O状态动态调整；和SPN类似；
（6）Fair share scheduling公平共享调度：公平是第一要素
4、实时调度
4.1 实时系统
定义：正确性依赖于其时间和功能两方面的一种操作系统；
性能指标：时间约束的及时性（deadlines）；速度和平均性能相对不重要；
主要特性：时间约束的可预测性；
强实时系统：需要在保证的时间内完成重要的任务，必须完成；
弱实时系统：要求重要的进程的优先级更高，尽量完成，并非必须；
相关术语：
任务（工作单元job）：一次计算，一次文件读取，一次信息传递等。
属性：取得进展所需资源；定时参数。
周期任务：任务有规律地重复；周期p = inter-release time (0 < p)；（两个红箭头内）执行时间E = 最大执行时间 (0 < e < p)；（蓝色区域）使用率U = e / p。
硬时限：如果错过了最后期限，可能会发生灾难性或非常严重的后果；保证确定性。
软时限：理想情况下，时限应该被最大满足。如果有时限没有被满足，那么就相应地降低要求；尽最大努力去保证。
4.2 可调度性
表示一个实时系统是否可以满足deadline要求，决定实时任务执行的顺序；
静态优先级调度：运行之前优先级就是确定的；
动态优先级调度：优先级在运行中是动态变化的；
4.3 调度算法
RM（Rate Monotonic）速率单调调度：最佳静态优先级调度；通过周期安排优先级；周期越短，优先级越高；先执行周期最短的任务
EDF（Earliest Deadline First）最早期限调度：最佳的动态优先级调度；Deadline越早，优先级越高；先执行Deadline最早的任务
5、多处理器调度与优先级反转
5.1 多处理器调度的原因
多处理器的CPU调度更加复杂（多个相同的单处理器组成一个多处理器，它的优点是负载共享）；
还有对称多处理器（SMP）（每个处理器运行自己的调度程序，需要在调度程序中同步）；
5.2 优先级反转
优先级反转可以发生在任何基于优先级的可抢占的调度机制；当系统内的环境强制使高优先级任务等待低优先级任务时发生。
5.2.1 优先级反转
优先级反转的持续时间取决于其它不相关任务的不可预测的行为。在这种情况下，高优先级可能比低优先级任务晚完成。例如下图，优先级T1 > T2 > T3。
首先时间轴上，只有T3有任务，所以在t1 ~ t3是T3在执行；到t2的时候，T3访问了一个蓝色的贡献资源（T1在t4时也要用）；到了t3时，T1出现了，它的优先级更高，所以T3中断，T1执行；直到t4时刻，T1需要使用T3占用的蓝色资源释放后才能继续执行，所以把CPU让给T3；t4 ~ t5是T3执行，t5时，此时T2出现，优先级比T3高，所以T3终止，执行T2；T2执行完后，T3在时间t6 ~ t7中释放了蓝色共享资源，T1才能继续执行。这里出现了个奇怪的现象，也就是优先级更高的T1，需要等T2运行完才能执行。
5.2.2 优先级继承
低优先级任务即成高优先级任务的优先级，这个依赖于他们共享的资源。此时T3的优先级会动态的得到提升，此时T2无法抢占T3。
优先级天花板：
