由于第四章线程的介绍没有上传视频,故之后看书来补。

最近开始学习操作系统原理这门课程,特将学习笔记整理成技术博客的形式发表,希望能给大家的操作系统学习带来帮助。同时盼望大家能对文章评论,大家一起多多交流,共同进步!

本篇文章大致内容为:

  • 基本概念(Basic Concept)
  • 调度准则(Scheduling Criteria)
  • 调度算法(Scheduling Algorithm)
  • 实时调度(Real-Time Scheduling)
  • 算法评价(Algorithm Evaluation)

基本概念(Basic Concept)

通过多道程序设计可以尽可能高的提高CPU利用率,但道数不可能无限增加。

同时: 宏观-程序进入内存,被操作系统调度; 微观-进程正在CPU上运行(Running)

调度:切换的过程中,切换越多,系统消耗越多,故道数不可能无限增加(另外还有内存方面的考虑)

CPU-I/O Burst Cycle   CPU-I/O执行期

  • 进程执行包括一系列的CPU执行期和输入输出等待期

CPU执行期分布:为指数型或多阶指数型

CPU型程序:大部分时间用在CPU上的程序

I/O型程序:大部分时间用在I/O上的程序

CPU调度(进程调度,低级调度,短程调度)  CPU Scheduler

选择内存上的处于就绪状态的进程,并分配CPU给它们使用(依照算法)。

什么时候进行CPU调度?或CPU调度的时机:

  1. Switches from running to waiting state
  2. Switches from running to ready state
  3. Switches from waiting to ready state:就绪队列来了新进程。
  4. Switched from waiting to ready state

注:1和4为非剥夺式/非抢占式(nonpreemptive)的,2和3为剥夺式/抢占式(preemptive)的。

调度程序(Dispatcher)

调度程序将CPU的控制权交给就绪队列中选中的进程,包括:

  • switching context  上下文切换(中断现场的保存与恢复)
  • switching to user mode  切换到用户态(PSW最高位),用户态:非特权指令;系统态:非特权指令+特权指令
  • jumping to the proper location in the user program to restart that program  跳转到程序上一次中断前执行的语句的上一行

调度延时(Dispatch latency)

换下一个进程并换上另一个新进程所需的时间,也叫系统消耗(overload)

调度准则(Scheduling Criteria)

  • CPU利用率(CPU utilization)
  • 吞吐量(Throughout):单位时间内执行作业的数量。
  • 周转时间(Turnaround time):提交完毕->执行结束所需时间。
  • 等待时间(Waiting time):在就绪队列内等待的时间,多次等待时间做和。
  • 响应时间(Response time):提交完成->首次给出相应所需时间。

周转时间的组成:后备等待+就绪队列等待时间之和+运行时间之和+阻塞队列等待时间之和

优化准则(Optimization Criteria):对于相同作业而言,

  • Max CPU utilization  CPU利用率最大化
  • Max Throughput  单位时间最大吞吐量
  • Min turnaround time  最小化周转时间
  • Min waiting time  最小化等待时间
  • Min response time  最小化响应时间

调度算法(Scheduling Algorithms)

  1. First-Come,First-Served(FCFS):先来先服务的调度原则
  2. Shortest-Job-First(SJF) Scheduling:短作业优先调度原则
  3. Priority Scheduling:优先级调度原则
  4. Round-Robin Scheduling:时间块调度原则
  5. Multilevel Queue Scheduling:多级队列调度原则
  6. Multilevel Feedback Queue:多级反馈队列调度原则

FCFS Scheduling

Gantt Chart:甘特图

SJF Scheduling:选择下一次CPU执行期最短的进程执行,分为两种,nonpreemptive 非抢占式的 和 preemptive 抢占式的。

抢占式-Shortest-Remainging-Time-First(SRTF)  最短剩余时间优先

SJF可以获得最小的平均等待时间。

Example of Non-Preemptive SJF:

Example of Preeptive SJF:

确定下一次CPU执行期的长短(Determining Length of Next CPU Burst)

只能估计时间,可以使用指数平均法:

两种极端:

通常情况:

优先级调度(Priority Scheduling)

  • 每一个进程都有一个优先级
  • CPU调度给优先级最高的进程
  • 优先级调度可以分为
    • 可抢占式的(Preemptive)
    • 不可抢占式的(Nonpreemptive)

SJF也是一类优先级算法。

存在问题:Infinite blocking(Starvation) 饥饿:优先级低的进程会被无限推迟。

解决方法:Aging(熬),可变优先级,动态优先级

时间片轮转(Round Robin, RR)

time slice - 时间片

  • 每个进程都会得到一个CPU时间段(通常10~100milliseconds)
  • 时间片到后,进程被抢占并被放入就绪队列的末尾
  • 若有n个进程且时间片长度为q,则每个进程都会获1/n的CPU时间,并且每次执行不超过q,则没有进程会等待超过(n-1)q个时间片

性能:若q比较大,则等待时间长;若q比较小,则每个进程等待时间短,但上下文切换所需的系统消耗会变大,q必须大于上下文切换的中断时间否则系统不能正常运行。

多级队列排队 Multilevel Queue

就绪队列被分成两个队列,前台队列用于交互式进程,使用RR调度,后台队列用于批处理进程,使用fcfs调度,后台队列保证前台有比较快的响应。

多级反馈队列 Multilevel Feedback Queue

  1. 有多个队列,每个队列有不同的优先级
  2. 所有新进程都入最高优先级队列
  3. 按照Round Robin情况调度最高优先级队列一次,若进程完成则释放内存结束进程,否则将该进程降入次高级进程
  4. 当最高优先级队列为空时,用RR调度次高优先级队列
  5. 当调度优先级为最高级的队列内加入新进程时,若系统为抢占式调度,则当前进程进入中断,并回到当前队列的队尾。

多级反馈队列为一种综合性调度:多级+RR+优先级+SJF+FCFS

算法评价 Algorithm Evaluation

  • 确定模型 Determining modeling
  • 队列模型 Queueing modeling
  • 使用仿真的方式评价(最常用):在公共的平台基于同样的一组公共数据对算法进行评价。

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