07: cpu调度

目录

• CPU Scheduling
  • content
    • 先进先出（FIFO）
    • 最短任务优先（SJF）
    • 最短完成时间优先（STCF）
    • 轮转（RR）
    • 结合IO
    • 最终的问题
  • homework

CPU Scheduling

content

本文简要说明了多进程任务是怎么由cpu调度运转的，我们可以将负载的逻辑简化，使用多个假设构建简单的模型，并一步步的舍弃假设条件，逐渐逼近真实场景下的调度过程。

假设：

1. 任务运行时长相同
2. 任务是同时到达cpu的
3. 任务一旦运行则不可中断
4. 任务运行过程中没有IO操作
5. 任务所需时间是已知的

在固定假设后，我们还需要两个指标来描述调度结果是否是符合预期的。指标1：周转时长；指标2：响应时长。

指标：

周转时长=任务完成时刻 - 任务到达时刻
响应时长=任务第一次被执行的时刻 - 任务到达时刻

先进先出（FIFO）

first in first out, 因为任务时长都一致，假设ABC三个任务同时到达，且都需要10s运行完。那么对于单个cpu，以排队的方式运行他们即可。

实际上任务运行时长基本都是非等长的，我们尝试着去掉假设1。如果ABC同时到达，A运行时长为100s，BC运行时长仍为10s。CPU面对同时到达的任务必须给出一个运行顺序，当优先运行A时，BC将被严重阻塞。

此时整体的周转时间=(100+110+120)/3=110s

最短任务优先（SJF）

shortest job first, 优先运行耗时短的任务。ABC同时到来，这时计算下各自运行时长，优先运行小任务。此时整体的周转时间=(10+20+120)/3=50s。

实际上任务的到来时间并非同时，往往是前后交错的，我们尝试抛弃假设2。 ABC三个任务的耗时不变，但是A在0刻到达，BC在10刻到达。受限于假设3，必须等A执行结束再执行BC，那么最终运行效果将降级为FIFO。为此我们必须再尝试抛弃假设3。

最短完成时间优先（STCF）

shortest time to complete first, 这里引入的抢占的概念，当BC到来，即使A在运行，也要优先给BC提供资源，保证小任务优先执行。（BC到达时，A还需要90s，BC相对来说是小任务）

此时整体周转时间=(10+20+120)/3=50s，通过任务抢占，适应了“任务在不同时间达到”这一场景。

轮转（RR）

round robin, 轮转调度。当人使用计算机交互时，任务的响应速度对使用感影响较大，因此响应时间成为不可忽视的一个指标。为了更快的响应，os可以利用硬件提供的时钟中断，收回cpu控制权，计算出需要及时响应的任务并运行。

比如ABC同时到达，并都需运行5s，时钟中断周期（时间片）为1s。在SJF和RR下的表现：

SJF整体响应时长=(0+5+10)/3=5s，周转时长=(5+10+15)/3=10s
RR整体响应时长=(0+1+2)/3=1s，周转时长=(13+14+15)/3=14s

实际上，时间片执行完后的任务切换也是需要时间的，如果任务切换过于频繁，或是时间片太小，上下文的切换成本将会大大提高，耗时也会收到较大影响。

如果想快速执行完所有任务，可以使用STCF，但会舍弃一些公平性，任务将无法公平的获取资源；如果想要公平性，可以使用RR，但这不可避免的会损耗一些时间。

结合IO

实际上任务的运行不止使用到CPU，往往还需与IO驱动进行交互，网络通信，文件读写等等。我们需要抛弃假设4。 当IO发生时，将任务A停止并切换到另一个等待调度的任务B，A的IO结束后再切换回执行。使CPU和IO利用率尽可能提高。

最终的问题

对于假设5，实际上任务运行时长是不可估算的，我们可以尝试着从过去的运行规律总结些经验，并以此推算未来任务运行时长。

homework

1．使用 SJF 和 FIFO 调度程序运行长度为 200 的 3 个作业时，计算响应时间和周转时间。

SJF:
响应时间=(0+200+400)/3=200s
周转时间=(200+400+600)/3=400s

FIFO: 同上

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2．现在做同样的事情，但有不同长度的作业，即 100、200 和 300。

SJF:
response=(0+100+300)/3=400/3s
turnaround=(100+300+600)/3=1000/3s

FIFO: 同上

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3．现在做同样的事情，但采用 RR 调度程序，时间片为 1。

RR:
response=(0+1+2)/3=1s
turnaround=(298 + 300+199 + 300+200+100)/3=456.67s

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4．对于什么类型的工作负载，SJF 提供与 FIFO 相同的周转时间？

任务时长相同。

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5．对于什么类型的工作负载和量子长度，SJF 与 RR 提供相同的响应时间？

任务时长 不大于 时间片时长。

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6．随着工作长度的增加，SJF 的响应时间会怎样？你能使用模拟程序来展示趋势吗？

SJF对长任务不利，响应时长增加。

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7．随着量子长度的增加，RR 的响应时间会怎样？你能写出一个方程，计算给定 N 个
工作时，最坏情况的响应时间吗？

时间片变长，响应时间也变长。
(0 + C + 2C + 3C + ... + (n-1)C) = (n-1)nC/2