操作系统CPU调度算法

前言

什么是调度算法

在操作系统中调度是指一种资源分配的过程，因而调度算法是指：根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法。对于不同的的系统和系统目标，通常采用不同的调度算法

为什么需要调度算法

计算机系统中的CPU资源非常宝贵，为了充分利用其资源，让多线程或者多进程系统能够多快好省地完成我们让它做的各种任务，就需要指定一定的规则去使用CPU。为此，可在内存中可存放数目远大于计算机系统内CPU个数的进程，让这些进程在操作系统的进程调度器的调度下，能够让进程高效（高的吞吐量–throughput）、及时（低延迟–latency）、公平（fairness）地使用CPU。为此调度器可设计不同的调度算法来选择进程，这体现了进程调度的策略，同时还需并进一步通过进程的上下文切换（context switch）来完成进程切换，这体现了进程调度的机制。

我们需要何时调度（调度的时机）、是否能够在内核执行的任意位置进行调度（调度的方式）、如果完成进程切换（上下文切换）、如果选择“合适”的进程执行（调度策略/调度算法）、如果评价选择的合理性（进程调度的指标）。

调度算法要达成的目标

周转时间短：从作业提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间的间隔要尽量小。
响应时间快：从用户提交一个请求开始直至系统首次产生响应时间为止的一段时间要尽量小。
截止时间的保证：某个任务必须开始执行的最迟时间，或必须完成的最迟时间。截止时间是评价实时系统的重要指标。
系统吞吐量高：单位时间内完成的作业数量。系统的吞吐量是评价系统性能的重要标准之一。调度算法影响系统的吞吐量
CPU利用率高：CPU 是计算机系统中影响时间性能的最重要的硬件资源。在多任务系统，进程调度算法对 CPU 的利用率有很大影响。因此，在选择和设计进程调度算法时应该考虑使 CPU 利用率尽可能高。

调度算法的类别

主要分为以下几类：

先来先服务调度算法
短进程优先调度算法
优先权调度算法
时间片轮转调度算法
多级队列调度**、**多级反馈队列调度

进程调度的原理

这里需要注意，存在两种进程抢占处理器的调度方式：

可抢占式（可剥夺式，preemptive)：就绪队列中一旦有某进程的优先级高于当前正在执行的进程的优先级时，操作系统便立即进行进程调度，完成进程切换。
不可抢占式（不可剥夺式non_preemptive）：即使在就绪队列存在有某进程优先级高于当前正在执行的进程的优先级时，当前进程仍将占用处理机执行，直到该进程自己进入阻塞状态，或时间片用完，或在执行完系统调用后准备返回用户进程前的时刻，才重新发生调度让出处理机。

常见的调度算法

FCFS 先来先服务优先调度算法（FCFS, First Come First Serve）

先来先服务（FCFS）调度算法是一种最简单的调度算法，该算法既可用于作业调度，
也可用于进程调度。FCFS算法比较有利于长作业（进程），而不利于短作业（进程）。由此可知，本算法适合于CPU繁忙型作业，
而不利于I/O繁忙型的作业（进程）。这里和python的全局解释器进程锁的用法一样，适合I/O密集型。

短作业（进程）优先调度算法（SJF, Shortest Job First）

短作业（进程）优先调度算法是指对短作业或短进程优先调度的算法，该算法既可用于作业调度，
也可用于进程调度。但其对长作业不利；不能保证紧迫性作业（进程）被及时处理；作业的长短只是被估算出来的。

最高优先权调度算法（Priority Scheduling）

为了照顾紧迫性作业，使之进入系统后便获得优先处理，引入了最高优先权优先（FPF）调度算法。
此算法常被用在批处理系统中，作为作业调度算法，也作为多种操作系统中的进程调度，还可以用于实时系统中。当其用于作业调度，
将后备队列中若干个优先权最高的作业装入内存。当其用于进程调度时，把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程，此时，又可以进一步把该算法分成以下两种：
(1)非抢占式优先权算法;
(2)抢占式优先权调度算法（高性能计算机操作系统）;

对于最高优先权优先调度算法，其核心在于：它是使用静态优先权还是动态优先权，以及如何确定进程的优先权。
动态优先权：高响应比优先调度算法为了弥补短作业优先算法的不足，我们引入动态优先权，使作业的优先等级随着等待时间的增加而以速率a提高。
该优先权变化规律可描述为：优先权=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间；即 =（响应时间）/要求服务时间。

时间片轮转法（RR, Round Robin）

时间片轮转法一般用于进程调度，每次调度，把CPU分配队首进程，并令其执行一个时间片。
当执行的时间片用完时，由一个记时器发出一个时钟中断请求，该进程被停止，并被送往就绪队列末尾；依次循环。

多级反馈队列调度算法(multilevel feedback queue scheduling)

多级反馈队列调度算法，不必事先知道各种进程所需要执行的时间，它是目前被公认的一种较好的进程调度算法。其实施过程如下：

设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。在优先权越高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就越小。
当一个新进程进入内存后，首先放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等候调度。
如果他能在一个时间片中完成，便可撤离；如果未完成，就转入第二队列的末尾，再同样等待调度……
如此下去，当一个长作业（进程）从第一队列依次将到第n队列（最后队列）后，便按第n队列时间片轮转运行。
仅当第一队列空闲时，调度程序才调度第二队列中的进程运行；仅当第1到第（ i-1 ）队列空时，
才会调度第i队列中的进程运行，并执行相应的时间片轮转。
如果处理机正在处理第i队列中某进程，又有新进程进入优先权较高的队列，
则此新队列抢占正在运行的处理机，并把正在运行的进程放在第i队列的队尾。