OS之进程管理---多处理器调度

引言

之前我们所学习的操作系统进程调度策略的前提条件是单处理器系统下的CPU调度程序。如果系统中存在多个CPU，那么负载分配就成为可能，但是相应的调度问题就会更加复杂。

多处理器调度方法

对于多处理器，CPU调度的一种方法是让一个处理器(主处理器)处理所有调度决定、I/O处理以及其他系统活动，其他处理器只执行用户代码。这个方称为非对称多处理(asymmetric multiprocessing)，这种方法只有一个处理器访问系统数据结构，减少了数据共享的需要。
另外一种方法是使用对称多处理(sysmmetric multiprocessing, SMP)，即每个处理器自我调度。所有进程可能处在一个共同的就绪队列中，也可能每个处理器都有自己私有的就绪队列。无论怎样，每个处理器的调度程序都检查共同就绪队列，以便选择执行一个进程。

处理器的亲和性

当一个进程运行在一个特定的处理器上时会缓存以该进程的一些数据和上下文，如果进程被迁移到另外一个处理器上，那么上一个处理器上缓存的数据设为无效，第二个处理器缓存应重新填充。由于缓存的无效或重新填充的代价很高，所以大多数SMP系统试图拍避免进程从一个处理器移到另一个处理器，而是试图让一个进程运行在同一个处理器上。这叫做处理器亲和性。亲和性具备多种形式：

当一个操作系统试图保持进程运行在同一处理器上，但是这个进程也可以迁移到其他进程上，这种亲和性叫做软亲和性

有的操作系统提供系统调用来支持硬亲和性，从而使某个进程运行在某个处理器子集中。(比如Linux实现软亲和性，但是也提供系统调用sched_setaffinity()来支持硬亲和性)。

系统的负载平衡

负载平衡设法将负载平均分配到SMP系统的所有处理器，这个概念很好理解。

需要注意的是，对于有些系统他们的处理器具有私有的可执行进程的队列，负载平衡是必须的，如何将一个进程分配到哪一个处理器的私有队列。对于另外一些系统具有公共队列，那么负载平衡就没有必要了，因为处理器一旦空闲，就会从公共就绪队列中取走一个就绪进程。

负载平衡具有两种方法：

推迁移：如果发现不平衡，将进程从超载处理器推到空闲或不太忙的处理器
拉迁移：空闲处理器从忙的处理器上拉一个等待任务，发生拉迁移

多核处理器

传统SMP系统具有多个物理处理器，但是当前的SMP系统将多个处理器放置在同一个物理芯片上，产生多核处理器。

许多硬件设计都采用多线程的处理器核，即每个核会分配到两个或多个硬件线程，这样如果一个线程停顿而等待内存时，该核可以切换到另一个线程。从操作系统角度来看，每一个硬件线程可以作为一个逻辑处理器，以便运行软件线程。

处理器核的多线程有两种方法：

粗粒度：粗粒度的多线程值在处理器上运行，直到一个长延迟时间发生，线程切换，且切换成本高
细粒度：线程在更细的粒度级别切换，切换成本低

一般情况下，一个多线程多核处理器实际上需要两个(或多个)不同级别的调度。一个级别的调度决策由操作系统做出，用于选择哪个软件线程运行在哪个硬件线程上(逻辑处理器)，对于这个级别的调度，操作系统可以选择任何调度算法。

另一个级别的调度指定每个核如何决定运行哪个硬件线程，在这种情况下，有多种策略可以采用。比如Intel Itanium为双核处理器，而且每个核有两个硬件线程，每个硬件线程有一个动态的紧迫值，它的取值范围是0-7，用0表示最低的紧迫性，而7表示最高的，Itanium具有5个不同的事件，用于触发线程切换，当这些时间发生时，线程切换逻辑会比较两个线程的紧迫性，并选择紧迫性较高的线程在处理器核上执行。