處理器排程

1）cpu排程的相關概念

a.cpu排程——其任務是控制、協調程序對cpu的競爭；即按一定的排程演算法從就緒佇列中選擇乙個程序，把cpu的使用權交給被選中的程序；如果沒有就緒程序，系統會安排乙個系統空閒程序或idle程序

b.cpu要解決的三個問題

cpu排程的時機（就緒佇列的改變引發了重新排程）：事件發生—》當前執行的程序暫停執行—》硬體機制響應後—》進入作業系統，處理相應事件—》結束處理後：某些程序的狀態會發生變化，也可能又建立了一些新的程序—》就緒佇列改變了—》需要程序排程根據預設的排程演算法從就緒佇列選乙個程序

4中情況（核心對中斷/異常/系統呼叫處理後返回到使用者態時）

程序正常終止或者由於某種錯誤而終止

新程序建立或乙個等待程序變成就緒

當乙個程序從執行態進入阻塞態

當乙個程序從執行態變為就緒態

排程過程——程序切換

程序排程從就緒佇列選擇了要執行的程序：這個程序可以是剛剛被暫停執行的程序，也可能是另乙個新的程序

程序切換：是指乙個程序讓出cpu，由另乙個程序占用cpu的過程，包括了對原來程序各種狀態的儲存和對新程序各種狀態的的恢復

*切換全域性目錄以載入乙個新的位址空間

*切換核心棧和硬體上下文，其中硬體上下文包括了核心執行新程序需要的全部資訊，如cpu相關暫存器

間接開銷：快取記憶體（cash）、緩衝區快取（buffer cache）和tlb（translation lookup buffer）失效

cpu排程演算法設計：

衡量排程演算法的指標：

吞吐量——每單位時間完成的程序數目

周轉時間——每個程序從提出請求到執行完成的時間

響應時間——從提出請求到第一次回應的的時間

cpu利用率——cpu做有效工作的時間比例

等待時間——每個程序在就緒佇列中等待的時間

程序的優先順序（數）

選擇時間片考慮的因素：程序切換的開銷；對響應時間的要求；就緒程序個數；cpu能力；程序的行為

2）批處理系統的排程演算法（吞吐量，周轉時間，cpu利用率，公平、平衡）

a.先來先服務(fcfs排程演算法）：按照程序就緒的先後順序使用cpu，非搶占

優點：公平，實現簡單

缺點：長程序後面的短程序需要等很長時間，不利於使用者體驗

b.最短作業優先（sjf排程演算法shortest job first）：具有最短完成時間的程序優先執行，非搶占式

優點：（在所有程序同時可執行時，）採用sjf排程演算法可以得到最短平均週期時間

缺點：不公平，源源不斷的短任務到來，可能使長任務長時間得不到執行，產生「飢餓」現象

c.對短剩餘時間優先：sjf搶占式版本，即當乙個新就緒的程序比當前執行程序具有更短完成時間時，系統搶占當前程序，選擇新就緒的程序執行

d.最高響應比優先（highest response ratio next）（折衷權衡）：排程時，首先計算每個程序的響應比r；之後，總是選擇r最高的程序執行

3）互動式系統中採用的排程演算法(響應時間，公平、平衡）

a.時間片輪轉排程演算法：（不適合相同大小的程序）

目標：改善了短任務平均響應時間

解決問題的思路：週期性切換；為每個程序分配乙個時間片；時鐘中斷——》輪轉

典型的時間片長度：10ms~100ms

優點：公平；有利於互動式計算，響應時間快

缺點：由於程序切換，時間片輪轉演算法要花費較高的開銷

b.最高優先順序排程：選擇優先順序最高的程序投入執行

通常：系統程序優先順序高於使用者程序；前台程序優先順序高於後台程序；作業系統更偏好i/o型程序

優點：簡單

缺點：不公平，有飢餓現象

優先順序反轉問題：乙個低優先順序程序持有乙個高優先順序程序所需要的資源，使得高優先順序程序等待低優先順序程序執行

影響：系統錯誤；高優先順序程序停滯不前，導致系統效能降低

解決方案：設定優先順序上限；優先順序繼承；使用中斷禁止

c.多級反饋佇列：設定多個就緒佇列，第一級佇列優先順序最高

給不同就緒佇列中程序分配長度不同的時間片，第一級佇列時間片最小，隨著佇列優先順序別的降低，時間片增大

當第一級隊列為空時，在第二級佇列排程，以此類推

各級佇列新建立程序就緒後，進入第一級佇列

程序用完時間片而放棄cpu，進入下一級就緒佇列

由於阻塞而放棄cpu的程序進入相應的等待佇列，一旦等待的事件發生，該程序回到原來一級就緒佇列（隊尾or隊首……）

d.最短程序優先

4）多處理器排程演算法設計

不僅要決定選擇哪個程序執行，還要決定在哪個cpu上執行

要考慮程序在多個cpu之間遷移時的開銷（快取記憶體失效，tlb失效，盡可能使程序總在同乙個cpu上執行）

考慮負載均衡問題

5）典型作業系統所採用的排程演算法

a.unix 動態優先數法

b.5.3bsd 多級反饋佇列法

c.linux 搶占式排程

d.windows 基於優先順序的搶占式多任務排程

排程單位是執行緒，採用基於動態優先順序的、搶占式排程，結合時間配額的調整

就緒執行緒按優先順序進入相應佇列

系統總是選擇優先順序最高的就緒執行緒執行

同一優先順序的各執行緒按時間片輪轉進行排程

多cpu系統中允許多個執行緒並行執行

引發執行緒排程的條件：乙個執行緒的優先順序改變了；乙個執行緒改變了它的親和處理機集合

執行緒正常終止或由於某種錯誤而終止

新執行緒建立或乙個等待執行緒變成就緒

當乙個執行緒從執行態進入阻塞態

當乙個執行緒從執行變為就緒態

windows使用32個執行緒優先順序，分為3類

16~31：實時優先順序執行緒不改變其優先順序

1~15：可變優先順序執行緒：其優先順序可以在一定範圍內公升高或降低（基本優先順序和當前優先順序）

0：零頁執行緒：用於對系統中空閒物理頁面清零

執行緒的時間配額：時間配額不是乙個時間長度值，而乙個稱為配額單位的整數

乙個執行緒用完了自己的時間配額時，如果沒有其他相同優先順序的執行緒，windows將重新給該執行緒分配乙個新的時間配額，

讓它繼續執行

windows會提公升這樣的程序的當前優先順序（針對可變優先順序範圍內的執行緒優先順序）

i/o操作完成

訊號量或事件等待結束

前台程序中的執行緒完成乙個等待操作

由於窗**動而喚醒視窗執行緒

執行緒處於就緒態超過了一定時間還沒有執行——「飢餓」現象

e.solaris 綜合排程演算法

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