重生之我是操作系统(五)----CPU调度

简介

当CPU有大量任务要处理，但由于资源有限，无法同时处理。所有就需要某种规则来决定任务处理的顺序，这就是调度。

调度层次

根据调度频率与层次，共分为三种

1. 高级调度
   
   也称为作业调度(Long-Trem Scheduling),频次很低，它决定哪些进程从外存(硬盘)加载到内存
2. 中级调度
   
   也称为内存调度(Medium-Term Scheduing),频次中等，将暂时无法运行的进程(阻塞进程)交换到外存，也就是所谓的挂起。释放内存资源，后续再重新加载到内存中。
3. 低级调度
   
   也称为进程调度(Short-Term Scheduing),频次极高，每秒可达数千次。它直接决定当前哪个就绪进程获得CPU。

----	做什么？	发生在哪？	频率	对进程的影响
高级调度	选择合适的作业调入内存，并创建进程	外存=>内存	最低	NULL=>初始态=>就绪态
中级调度	从阻塞队列中选择合适的进程调回内存	外存=>内存	中等	阻塞态=>就绪态
低级调度	从就绪队列中选择合适的进程配合CPU	内存=>CPU	极高	就绪态=>运行态

进程调度的模型

相对进程的状态模型，这里出现了两种新状态，就绪挂起和阻塞挂起。

这本质上是一种优化，比如进程进入了就绪态/阻塞态。但该进程优先级很低，CPU根本调度不到该进程，该进程还白白占用内存，那不如将它挂起，从内存移入外存。释放内存为更高优先级的进程服务。

比如你的屏保程序，是CPU完全没事干的时候，才会运行。如果一直占用内存，只会白白浪费。

眼见为实

常见调度算法

调度算法的选择直接影响系统性能，常见算法为抢占式(直接中断)和非抢占式（进程自愿释放）

1. 先来先服务(First-Come First-Served,FCFS)
   
   按照进程进入就绪队列的顺序分配CPU，先到先得。
   
   优点：实现简单，公平性基于到达顺序
   
   缺点：可能导致"护航消息"，短CPU时间的进程要等待长CPU进程执行完成，周转性较差

2. 短作业优先(Shortest Job First,SJF)
   
   选择预计执行最短的进程优先运行。
   
   优点：平均周转时间最小化
   
   缺点：需要预知运行时间，实现很难。谁家好人算这个啊！

3. 轮转法(Round Robin,RR)
   
   为每个进程分配固定的时间片(比如15ms)，进程时间片用完后，返回就绪队列。
   
   优点：保证程序快速响应，适合交互式系统
   
   缺点：上下文切换频繁，降低系统性能

4. 优先级调度(Priority Scheduling)
   
   为每个进程分配优先级，高优先级先执行。
   
   分为静态优先级：进程创建时即确定好优先级，动态优先级：根据运行情况动态调整优先级
   
   优点：按需运行，高优先级进程能占用大量CPU。
   
   缺点：低优先级进程可能一直得不到调用。动态设置优先级时，优先级难以界定。

5. 多级反馈队列(Multilevel Feedback Queues)
   
   设置多个优先级队列，比如按照时间片的长短分组。新进程首先进入高优先级队列，如果未在时间片内完成，则降级到下一级队列

进程调度时机与方式

什么时候需要进程调度？

1. 主动放弃
   • 进程正常终止
   • 运行过程中发生异常而终止
   • 主动阻塞，比如等待I/O，Sleep
2. 被动放弃
   • 分配的时间片用完
   • 更高优先级进程的插入，比如I/O中断

什么时候不能进程调度？

1. 处理中断的过程
2. 进程处于操作系统内核临界区
3. 系统原语操作过程

说人话就时，当系统执行原子操作时，就不能调度。

你都是原子操作了，要是能被调度，那还叫原子操作吗？

进程调度方式

1. 抢占式
   
   由操作系统剥夺当前进程的CPU使用权
2. 非抢占式
   
   进程主动放弃CPU，全凭良心。

进程调度程序

1. 支持内核级线程的操作系统，调度的对象是线程
2. 不支持内核级线程的操作系统，调度的对象是进程

Idle进程

CPU通电后，就需要一直运行。就算没有工作，也要给CPU几条指令，组成一个循环，在那里空转。

因此系统会创建这么一个特殊的Idle进程。

从它的工作性质不难猜出它的特性：

1. 优先级最低
2. 能耗低
3. 啥也不干

眼见为实