第八章 多级反馈队列（MLFQ）

在操作系统中，调度器的主要目标是决定哪个进程应该在何时运行。然而，我们通常不知道进程的具体行为，比如它会运行多久，或者它是否会频繁地与用户交互（I/O）。

• 问题一：不知道工作长度。 SJF/STCF 等算法能优化周转时间，但它们需要知道工作长度，而我们通常不知道。
• 问题二：响应时间和周转时间的权衡。 轮转法能降低响应时间（交互体验好），但周转时间可能很差。SJF/STCF 能优化周转时间，但可能牺牲了交互性。
• 核心挑战：如何在信息不完备的情况下，设计一个既能优化响应时间，又能优化周转时间的调度器？

MLFQ 的核心思想：从历史中学习，预测未来。

MLFQ 并不是一成不变的，它会根据进程在运行过程中的 表现（反馈）来 动态调整 进程的 优先级。进程表现出什么样的行为，就会被赋予相应的优先级，从而影响其未来的调度。

基础知识梳理：

1. 多级队列（Multi-level Queues）：

   • MLFQ 拥有 多个独立的队列，每个队列拥有一个 不同的优先级。
   • 一个进程在任何时刻 只能存在于一个队列 中。
   • 高优先级队列中的进程永远优先于低优先级队列中的进程。

2. 优先级（Priority）：

   • MLFQ 的核心是 动态优先级，而不是固定优先级。
   • 进程的优先级会随着其行为而改变。

3. 调度规则（核心）：

   • 规则 1：优先级决定运行权。 如果进程 A 的优先级高于进程 B，那么优先运行 A。
   • 规则 2：同优先级下的轮转。 如果进程 A 和 B 优先级相同，则对它们进行轮转调度（Round Robin）。

4. 进程行为与优先级关联：

   • 交互型进程（Interactive Process）： 经常需要等待用户输入或其他 I/O 操作。它们通常会 在时间片用完之前主动释放 CPU。MLFQ 希望这类进程有好的响应时间，所以会 保持其高优先级。
   • CPU 密集型进程（CPU-bound Process）： 运行时间长，长时间占用 CPU。MLFQ 会 降低这类进程的优先级。

知识重点整理：

MLFQ 的发展过程（通过规则的演进）：

第一阶段：基本规则与优先级调整（尝试 1）

• 规则 3：新进程进入。 当一个新进程进入系统时，默认给予 最高优先级（放在最上层队列）。

  • 目的： 假设所有新进程都可能是短作业，从而近似 SJF/STCF，以优化周转时间。

• 规则 4a：用完时间片。 如果一个进程 用完了它在当前队列分配的时间片（time slice），那么 降低其优先级（移到下一个较低优先级的队列）。

  • 目的： 认为长时间占用 CPU 的进程是 CPU 密集型，降低其优先级。

• 规则 4b：主动释放 CPU。 如果一个进程 在其时间片用完之前主动释放了 CPU（例如，等待 I/O），则 保持其优先级不变。

  • 目的： 认为主动释放 CPU 的是交互型进程，不应受惩罚，保持其高优先级以提供好的响应时间。

示例分析（此阶段）：

• 长工作： 会从高优先级队列逐渐下降到低优先级队列。
• 短工作： 如果在用完时间片前完成，其优先级不会降低，如果确实很快完成，就能近似 SJF。
• 有 I/O 的工作： 由于会主动释放 CPU，优先级保持不变，从而得到更好的响应。

MLFQ 在此阶段存在的问题：

1. 饥饿（Starvation）： 如果系统中有大量的交互型进程，它们会不断占用 CPU，导致 CPU 密集型进程（即使是优先级较低的）永远得不到运行机会。
2. 被“愚弄”（Gaming the Scheduler）： 聪明的用户可以编写程序，通过在时间片用完前 伪造 I/O 操作（例如访问一个无用的文件）来欺骗规则 4b，从而 保持高优先级，几乎独占 CPU。
3. 进程行为变化问题： 一个进程在不同时间段表现可能不同。如果一个计算密集型进程突然变得像交互型进程，但其优先级已经很低，MLFQ 无法及时识别并提升其优先级。

第二阶段：解决饥饿和进程行为变化（尝试 2）

• 规则 5：优先级提升（Priority Boost）。 周期性地（经过一段时间 S），将 系统中所有进程的优先级都提升到最高级别。
  • 目的：
    • 解决饥饿： 即使是低优先级的进程，也能周期性地获得高优先级，从而得到运行机会。
    • 适应行为变化： 如果一个 CPU 密集型进程变得像交互型进程，在优先级提升时，它会得到正确的对待。

此阶段的问题：

• “巫毒常量”（Voodoo Constant）： 时间间隔 S 的设置非常困难。
  • S 太大：长工作仍然可能饥饿。
  • S 太小：交互型工作得不到足够的 CPU 时间比例。

第三阶段：解决“愚弄”问题（尝试 3）

• 重写规则 4（更好的计时方式）： 调度程序 记录一个进程在某一层队列中消耗的总时间（配额）。只要进程用完了这个配额（无论它中间主动放弃 CPU 了多少次），就 将其降到低一级队列。
  • 目的： 阻止了通过伪造 I/O 来“愚弄”调度程序的行为。无论进程如何释放 CPU，只要用完配额就会降级。

MLFQ 调优及其他问题（MLFQ 调优及其他问题）：

• 配置参数： MLFQ 的配置非常复杂，没有固定的“最优解”，需要根据实际工作负载进行调优。

  • 队列数量： 有多少级队列？
  • 时间片长度： 每个队列的时间片有多长？（通常高优先级队列时间片短，低优先级队列时间片长）
  • 优先级提升间隔 S： 多久提升一次所有进程的优先级？

• 避免“巫毒常量”（Ousterhout 定律）： 难以找到完美的 S 值。系统管理员通常通过配置文件设置默认值，希望这些默认值是合理的。

• MLFQ 的变种：

  • 不同队列不同时间片： 高优先级队列时间片短，低优先级队列时间片长。
  • 固定优先级留给 OS： 有些系统将最高优先级留给操作系统自身。
  • 用户建议（Advice）： 允许用户通过 nice 命令等工具给出优先级建议，系统可以参考但不强制执行。
  • 数学公式： 一些系统（如 FreeBSD）使用数学公式根据进程使用 CPU 的情况计算优先级，并结合使用量衰减（decay-usage）来达到优先级提升的效果。

MLFQ 小结：

• MLFQ 的核心是通过 多级队列 和 反馈信息 来动态调整进程的 优先级。
• 它根据进程的 一贯表现 来区别对待。
• MLFQ 不需要先验知识，通过观察来学习。
• 它可以同时满足 短交互型工作（近似 SJF/STCF，响应时间好）和 长 CPU 密集型工作（公平、稳步前进）。
• 许多现代操作系统（如 BSD、Solaris、Windows NT）都采用了某种形式的 MLFQ。

总结核心思想：

MLFQ 就像一个“观察者”，它给新来的进程一个机会（最高优先级），如果进程证明自己是短作业（很快完成），就很好；如果证明自己是长作业（用完时间片），就降低其优先级。如果进程表现出交互性（频繁释放 CPU），就保持其高优先级。通过周期性的“大赦”（优先级提升），确保所有进程都有机会得到运行，同时防止被“愚弄”。