处理机调度

目录

处理机调度概述

[1. 作业调度（Job Scheduling）](#1. 作业调度（Job Scheduling）)

[2. 中级调度（Medium-term Scheduling）](#2. 中级调度（Medium-term Scheduling）)

[3. 进程调度（Process Scheduling）](#3. 进程调度（Process Scheduling）)

调度算法

[1. 先来先服务（FCFS）](#1. 先来先服务（FCFS）)

[2. 最短作业优先（SJF）](#2. 最短作业优先（SJF）)

[3. 优先级调度](#3. 优先级调度)

[4. 轮转法（RR）](#4. 轮转法（RR）)

[5. 多级队列调度](#5. 多级队列调度)

[6. 多级反馈队列调度](#6. 多级反馈队列调度)

实时调度

实现实时调度的基本条件

实时调度算法

[1. 最早截至时间优先（EDF）](#1. 最早截至时间优先（EDF）)

[2. 最低松弛度优先（LLF）](#2. 最低松弛度优先（LLF）)

优先级倒置

实时调度的应用场景

[实例：Linux 进程调度](#实例：Linux 进程调度)

概述

[CFS 调度算法](#CFS 调度算法)

调度策略

[CPU 带宽控制](#CPU 带宽控制)

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处理机调度概述

处理机调度是操作系统中的一项重要功能，其目的是管理和分配计算机系统的资源，特别是中央处理单元（CPU），以使多个进程或任务能够高效地运行。这种调度机制可以确保系统资源得到充分利用，并根据优先级和需求将资源分配给不同的进程。

处理机调度通常分为三个层次：作业调度、中级调度和进程调度。

1. 作业调度（Job Scheduling）

作业调度是处理机调度的最高层次，主要负责从外部存储设备（如磁盘）中选择作业并将其加载到内存中。作业调度的主要任务包括：

• 选择作业：从后备队列中选择合适的作业进入内存。
• 资源分配：为选中的作业分配必要的资源，如内存、I/O设备等。
• 创建进程：将作业转换为进程，使其能够在系统中执行。

作业调度通常在作业的生命周期开始时进行，决定了哪些作业可以进入系统并开始执行。

2. 中级调度（Medium-term Scheduling）

中级调度也称为交换调度（Swapping），主要目的是优化内存利用率和系统吞吐量。其主要任务包括：

• 挂起进程：当内存资源不足时，将一些暂时不需要运行的进程挂起，释放内存空间。
• 恢复进程：当内存资源充足时，将挂起的进程重新加载到内存中，使其处于就绪状态。

中级调度通过动态调整内存中运行的进程数量，确保系统在高负载下仍能高效运行。

3. 进程调度（Process Scheduling）

进程调度是处理机调度中最基本也是最频繁的一种，它决定了哪个进程将获得CPU时间。进程调度的主要任务包括：

• 选择进程：从就绪队列中选择一个进程，将CPU分配给该进程。
• 分配CPU时间：根据调度算法（如先来先服务、最短作业优先、轮转法等）分配CPU时间片。
• 切换上下文：在不同进程之间切换CPU时，保存和恢复进程的上下文信息。

进程调度的频率非常高，通常每隔几十毫秒就会进行一次，以确保系统能够快速响应用户请求和系统事件。

调度算法

处理机调度算法旨在实现几个关键目标，包括最大化 CPU 的利用率、缩短平均周转时间和平均等待时间、提高系统的吞吐量，以及兼顾不同类型的作业和进程。常见的调度算法包括：

1. 先来先服务（FCFS）

**先来先服务（First-Come, First-Served, FCFS）**算法按照进程到达的顺序进行调度。特点包括：

• 简单易实现：实现起来非常简单，只需维护一个队列。
• 公平性：所有进程按照到达顺序依次获得CPU时间。
• 缺点：可能导致长时间的等待，特别是当一个长作业在队列前面时，会导致后续短作业的等待时间过长（即"长尾效应"）。

2. 最短作业优先（SJF）

**最短作业优先（Shortest Job First, SJF）**算法优先调度预计运行时间最短的进程。特点包括：

• 高效性：能够最小化平均等待时间。
• 两种形式：非抢占式（进程一旦开始运行，直到完成）和抢占式（又称最短剩余时间优先，SRTF，当前运行的进程可以被新到达的更短作业抢占）。
• 缺点：需要准确预测每个作业的运行时间，实际应用中较为困难；可能导致"饥饿"现象，即长作业可能长时间得不到调度。

3. 优先级调度

**优先级调度（Priority Scheduling）**算法根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程先调度。特点包括：

• 灵活性：可以根据进程的重要性或紧急程度分配优先级。
• 两种形式：静态优先级（优先级在进程生命周期内不变）和动态优先级（优先级可以随时间改变）。
• 缺点：可能导致"饥饿"现象，即低优先级的进程可能长期得不到调度。可以通过"老化"技术（随着等待时间增加而提高优先级）来解决。

4. 轮转法（RR）

**轮转法（Round Robin, RR）**算法为每个进程分配固定的时间片，轮流调度。特点包括：

• 时间片：每个进程在其时间片内运行，如果时间片用完且进程未完成，则将其放回就绪队列尾部。
• 公平性：所有进程轮流获得CPU时间，适用于时间共享系统。
• 响应时间：能够提供较好的响应时间，但时间片大小的选择需要权衡，过大则类似于FCFS，过小则增加上下文切换开销。

5. 多级队列调度

**多级队列调度（Multilevel Queue Scheduling）**算法将进程分成多个队列，每个队列使用不同的调度算法。特点包括：

• 分层管理：常见的分层方式包括前台/后台进程、交互式/批处理进程等。
• 不同策略：每个队列可以使用不同的调度算法（如前台队列使用RR，后台队列使用FCFS）。
• 优先级：通常前台队列优先级高于后台队列，即使后台队列有进程就绪，前台队列的进程也会优先调度。

6. 多级反馈队列调度

**多级反馈队列调度（Multilevel Feedback Queue Scheduling）**是多级队列调度的改进版本。特点包括：

• 动态调整：进程可以在不同优先级的队列之间移动，通常新进程进入高优先级队列，如果没有完成则逐步降低优先级。
• 适应性：能够动态调整进程优先级，适应不同类型的工作负载。
• 复杂性：实现较为复杂，但能够提供较好的响应时间和系统吞吐量。

实时调度

实时调度在实时系统中至关重要，其主要目标是确保任务在严格的时间限制内完成。以下是对实时调度的详细概述和补充：

实现实时调度的基本条件

为了满足实时系统的要求，实现实时调度需要满足以下基本条件：

1. 抢占式调度：处理机调度必须是抢占式的，以保证高优先级任务能够及时中断低优先级任务并获得CPU时间。
2. 任务执行时间保证：任务的执行时间必须是可预测的，系统能够确保任务在规定的时间内完成。
3. 截止时间保证：任务的截止时间必须能够得到保证，即任务能够在其规定的截止时间前完成。

实时调度算法

实时调度算法主要分为两种类型：最早截至时间优先（EDF）和最低松弛度优先（LLF）。

1. 最早截至时间优先（EDF）

**最早截至时间优先（Earliest Deadline First, EDF）**算法总是选择截至时间最早的任务执行。特点包括：

• 动态优先级：任务的优先级随其截止时间的临近而动态变化。
• 最优性：在单处理器系统中，EDF是最优的实时调度算法，即如果任务集是可调度的，EDF一定能够找到一个调度方案，使所有任务按时完成。
• 缺点：可能导致低优先级任务被无限期推迟，尤其是在任务负载较重时。

2. 最低松弛度优先（LLF）

**最低松弛度优先（Least Laxity First, LLF）**算法选择松弛度最小的任务执行。松弛度是指任务必须完成时间与其本身的运行时间之差。特点包括：

• 松弛度计算：松弛度 = 截止时间 - 当前时间 - 剩余执行时间。
• 动态调整：任务的松弛度随时间变化，系统动态选择松弛度最小的任务执行。
• 优点：可以保证所有任务按时完成，并尽可能减少延迟。
• 缺点：计算松弛度的开销较大，频繁的任务切换可能导致系统性能下降。

优先级倒置

**优先级倒置（Priority Inversion）**是指低优先级任务间接影响高优先级任务的执行，导致高优先级任务无法按时完成。通常出现在以下情况下：

• 共享资源：高优先级任务需要访问由低优先级任务持有的共享资源，而低优先级任务被中等优先级任务抢占。
• 解决方法：常用的解决方法是优先级继承协议（Priority Inheritance Protocol），即当低优先级任务持有高优先级任务需要的资源时，临时提升低优先级任务的优先级到高优先级任务的优先级，直到资源释放。

实时调度的应用场景

实时调度广泛应用于各种需要严格时间控制的系统中，例如：

• 嵌入式系统：如汽车电子控制系统、工业控制系统等。
• 多媒体系统：如视频流处理、音频处理等。
• 电信系统：如电话交换系统、网络路由器等。
• 航空航天系统：如飞行控制系统、卫星通信系统等。

实例：Linux 进程调度

概述

Linux内核采用完全公平调度（CFS）算法作为默认的进程调度算法，旨在为所有进程提供公平的CPU时间分配。CFS 引入了"虚拟运行时间"（vruntime）的概念，并根据每个进程的累计 vruntime 来进行排序，选择 vruntime 最小的进程运行。

CFS 调度算法

CFS 调度算法的核心是红黑树数据结构，用于维护就绪队列。就绪队列中的每个节点都代表一个进程，并存储该进程的 vruntime 值。调度器会从就绪队列中选择 vruntime 最小的进程运行，然后更新该进程的 vruntime 值，并将其移至就绪队列的末尾。

CFS 还引入了时间片的概念，用于限制每个进程每次运行的时间。时间片的长度会根据系统负载进行动态调整，在负载较低时会延长，在负载较高时会缩短。

调度策略

CFS 支持三种调度策略：

• 常规进程调度（SCHED_NORMAL）：这是默认的调度策略，适用于大多数应用程序。
• 实时进程调度（SCHED_FIFO、SCHED_RR）：用于实时应用程序，需要保证其能够及时响应事件。实时进程调度采用静态时间片，即每个进程每次运行的时间都是固定的。
• 普通进程调度（SCHED_OTHER）：用于不属于前两类规则的进程。普通进程调度采用动态时间片，会根据系统负载进行调整。

CPU 带宽控制

Linux 还支持 CPU 带宽控制，可以为不同的进程组分配不同的 CPU 份额。CPU 份额是一个百分比值，表示该进程组可以使用的 CPU 时间的比例。例如，如果一个进程组的 CPU 份额为 50%，则该进程组只能使用一半的 CPU 时间。

• CFS 调度算法的实现

  • CFS 使用红黑树来维护就绪队列。红黑树是一种自平衡二叉查找树，可以保证插入、删除和查找操作的时间复杂度为 O(log n)。
  • CFS 的调度过程如下：
    1. 从就绪队列中选择 vruntime 最小的进程。
    2. 更新该进程的 vruntime 值。
    3. 将该进程移至就绪队列的末尾。
    4. 将该进程切换到运行状态。

• CFS 调度策略的配置

  • CFS 调度策略可以使用以下参数进行配置：
    • nice 值：用于调整进程的优先级。nice 值越小，进程的优先级越高。
    • 进程组：用于将进程分组，以便为不同的进程组分配不同的 CPU 份额。
  • CFS 调度策略的配置可以通过以下命令进行修改：
    • nice -n <nice_value> command：用于设置进程的 nice 值。
    • taskset -p <cpu_list> command：用于将进程绑定到特定的 CPU 或 CPU 组。

• CPU 带宽控制的实现

  • CPU 带宽控制是通过 cgroup 子系统实现的。cgroup 子系统可以将进程划分为不同的组，并为每个组分配不同的资源，例如 CPU 时间、内存和 I/O 带宽。
  • CPU 带宽控制可以使用以下命令进行配置：
    • echo <cpu_shares> /sys/fs/cgroup/cpu/group<group_id>/cpu.cfs_quota_us：用于设置进程组的 CPU 份额。
    • echo <period_us> /sys/fs/cgroup/cpu/group<group_id>/cpu.cfs_period_us：用于设置进程组的 CPU 时间片长度。