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  • 进程调度策略

    千次阅读 2014-12-02 00:54:11
    在操作系统中,几乎所有进程的I/O请求或计算都是交替突发的。例如一个进程从磁盘读取了一段数据,然后计算一段时间,将计算得到的数据重新写入磁盘,如此周而复始的循环。假如一些进程将绝大多数...1、调度时机  有
         
    

         在操作系统中,几乎所有进程的I/O请求或计算都是交替突发的。例如一个进程从磁盘读取了一段数据,然后计算一段时间,将计算得到的数据重新写入磁盘,如此周而复始的循环。假如一些进程将绝大多数时间花费到计算上,我们称此类进程为计算密集型进程;而另一部分进程花费大多数时间在IO等待上,我们称此类进程为I/O密集型进程。随着CPU变得越来越快,更多的进程倾向于I/O密集型。

    1、调度时机

         有关调度处理的一个重要问题就是何时进行进程调度,一般来说发生以下四种情形时系统将对进程进行调度:

         一、在创建一个新进程后,需要决定是先运行父进程还是子进程。因为这两种进程都处于就绪状态,所以这是一个正常的调度决策。一般来说先运行父进程还是子进程和操作系统有关,不同的操作系统运行顺序也不同。

         二、在一个进程退出时需要作出调度决策。一个进程不在运行则会让出CPU,所以必须从就绪的进程中选择一个进程运行,如果没有就绪进程,通常会运行一个系统提供的空闲进程。

         三、当一个进程阻塞在I/O和信号量或其他原因阻塞时,必须选择另一个进程运行

         四、在一个I/O中断发生时,必须做出调度决策。如果中断发生在IO设备,当该IO设备完成工作后,会将等待该IO设备的进程设置为就绪状态,但是否运行这些就绪进程就要根据实际调度算法判定,有时会运行被中断的进程,有时会运行某个就绪进程。

    2、调度算法分类:如果硬件提供50HZ或其他频率的周期性中断,人们可以再每个周期或每k个周期中断时做出调度策略。根据如何处理时钟中断分为两类:非抢占式中断和抢占式中断。非抢占式中断时让一个进程一直运行直至堵塞或者自动释放CPU,该进程不会被强制挂起。其结果是在中断产生时,如果没有更高优先级的进程等待到时,该进程会一直运行下去。

         相反,抢占式中断会挑选一个进程,并让该进程运行某一个固定的最大值,如果在该时间段内进程仍然在运行,则该进程被挂起,调度程序选择另一个进程进行执行。

    3、具体分类:

    1. 批处理:批处理一般运用在商业领域,用来处理薪水册、存货清单等。在批处理系统中,不会有用户不耐烦地在终端旁边等待一个短请求,因此其常用非抢占式算法
    2. 交互式:在交互式系统中,为了避免一个进程霸占CPU拒绝为其他用户服务,所以用的都是抢占式算法。
    3. 实时:在实时操作系统中,抢占有时不是必须的,因为系统知道他们有可能会长时间得不到运行,所以会很快地完成各自的工作然后堵塞。实时系统和交互系统的差别是:实时系统只运行哪些用来推进现有应用程序的,而交互式系统则是通用的。

    4、调度算法在不同环境中的一些目标:

    所有系统

           公平:给每个进程公平的CPU份额

           策略强制执行:看到所宣布的策略执行

           平衡:保持系统的所有部分都忙碌

    批处理系统

            吞吐量:每小时最大作业数

            周转时间:从提交到终止间的最小时间

            CPU利用率:保持CPU始终忙碌

    交互式系统

            相应时间:快速相应用户请求

            均衡性:满足用户的期望

    实时系统

            满足截止时间:避免丢失数据

            可预测性:在多媒体系统中避免品质降低

    5、具体调度算法:

         1、批处理中调度算法:

         (1 先来先服务:最简单的非抢占式算法,基本上维持一个就绪进程的单一队列,有新作业到来时会插入到队列尾部。每次系统调用时从队列头部取作业进行运行,指导该作业完成。

    优点:易于理解并且便于在程序中运用。缺点:当存在一个需要占用较长CPU的进程存在时,会造成后边进程持续等待而无法执行,及时等待进程中存在只需要很少CPU时间即可完成的进程。

          2)、最短作业优先:最短作业优先属于运行作业预知的非抢占式算法

     

    8

    4

    4

    4

             如上图所示作业,这里四个作业假如分别为ABCD,其运行时间分别为8,4,4,4.若按照先来先服务算法,则平均周转时间为(8 + 12 + 16 + 20/ 4 = 14,。如果按照最短作业算法,如下所示:

    4

    4

    4

    8

             则平均周转时间为(4 + 8 + 12+ 20/ 4 = 11.则很明显最短作业算法得到的平均周转时间最短。但必须指出,只有在所有的作业都可同时运行的情况下,最短作业算法才最有效。

           3)、最短剩余作业优先:使用该算法,调度程序总是选择运行剩余时间最短的那个作业。当新的进程到来时,如果新的程序比当前正在运行的程序完成所需更短的时间,则当前进程挂起,运行新的进程。

    2、交互系统中的调度

    1)、轮转调度:轮转调度是一种最古老,最简单且最公平使用最广的算法。它为每一个进程分配一个时间段

    成为时间片。如果在该时间片结束时该进程还在运行,则将剥夺CPU并分配给另一个进程。如果该进程在时间片内堵塞或者结束,则CPU立即切换。时间片调度容易实现,调度程序只需要维护一张可运行程序的进程列表即可。      

    时间片轮转调度中存在的问题就是时间片长度的选择,因为从一个进程切换到另一个进程需要花费时间处理管

    理事务——保存和装入寄存器值及内存映像、更新各种表格和列表、清除和重新调入内存高速缓存。假如进程切换,或者叫做上下文切换时间过短,则CPU在花费太多时间用去上下文切换,CPU利用率佳慧降低。如果时间片选择过长,假如存在50个进程,时间片选择100ms。如果第50个进程只需要1ms就可以完成,但在时间片轮转算法中其只有等待5s钟后才有机会运行。显然对这个进程是不公平的。

    2)、优先级调度:轮转调度隐含的假设是所有进程同等重要,也就是所有进程的优先级相同。然后对于操作

    系统和用户会认为某些进程要比其他进程更为重要。因此调度算法调度时需要考虑一些外部因素。优先级调度的基本思想是为每一个进程赋予一个优先级,允许最高优先级的可运行程先运行。

    同时为了防止高优先级的程序一直占用CPU,调度程序可在每个时钟中断时降低当前进程的优先级,如果当前进

    程的优先级低于次高优先级进程,则进行进程切换。一个可行的方法是,每个进程可以赋予一个允许运行的最大时间片,当这个时间片用完时,下一个次高优先级的进程获得机会运行。

    3)、多级队列:多级队列的思想是将进程分为几个优先级类,当一个进程用完所分配的时间片后将会被移到

    下一类。我们考虑一个需要100个时间片来进行连续计算的计算的进程。假如它最初被分配1个时间片,则时间片用完之后将其移到下一类,同时它将获得2个时间片,依次类推,接下来其将获得8163264个时间片。这样其通过7次进程切换就可以完成,如果是纯粹的时间片轮转算法则需要100此进程切换。并且随着优先级的不断下降,其可以将CPU让给运行时间较短的进程。

    例如:伯克利制造的注明的XDS 940系统有4个优先级类,分别是终端、IO、短时间片和长时间片。当一个一直

    等待终端的进程被唤醒时,它被转到最高优先级类(终端)。当等待磁盘数据进程就绪时被转到第二类。当进程时间片用完仍就绪一般被放到第三类。但如果一个进程已经多次用完时间片而从未因终端或其他IO原因阻塞,那么它会被转入最低优先级类。

    4)、保证调度:一个完全不同的调度算法是向用户做出明确的性能保证,然后去实现它。一个简单的保证

    是:若系统工作时有n个用户登录,则每个用户获得1/nCPU处理能力。同理,对于一个含有n个进程的系统,若所有进程都是等价的,则每个进程获得1/nCPU时间。为了实现所做的保证,系统必须跟踪各个进程自创建以来获得的所有CPU时间,然后计算其应获得的时间。由于两者都是已知的,所以很容易根据两者的大小为进程分配时间。

    5)、彩票调度:其基本思想是向进程提供各种系统资源的彩票。一旦需要作出一项调整决策时就随机抽取一

    张彩票,拥有该彩票的进程获得资源。在用用到CPU调度时,系统可以掌握每秒钟50此的一种彩票,作为奖励每个获奖者可以得到20msCPU时间。

    假如系统出售100张彩票,而一个进程持有其中的20张,那么在一次抽奖中该进程获奖的概率为20%。在较长的

    时间中,该进程会得到20%CPU。相对于优先级调度,此调度算法更容易理解:拥有f份额的进程大约得到系统资源的f份额。

    彩票调度一个有趣的性质是,如果一个新进程出现并获得一些彩票,那么在下一次调度时该进程会和其拥有相

    同数量彩票的进程具有相同的优先级,也就是说彩票调度算法反应迅速。

    如果我们希望协作进程可以交换他们的彩票。例如一个客户进程向服务器进程发送消息并阻塞,其可以将自己

    手里的彩票交给服务器,这样就增加了服务器获得CPU的概率,服务器运行完成后将彩票再退还给客户进程。

    6)、公平分享调度:以上讲的各个进程调度算法关注的都是进程本身,并没有关注进程的所有者是谁。假如

    一个系统有两个用户,其中一个有9个进程,另一个只有一个进程。如果按照上述调度算法,用户1将获得90%CPU实践,用户2只获得10%的时间。为了避免这种情形,操作系统必须考虑这一因素,定义一个公平策略。例如每个用户分得50%CPU时间保证,无论用户有多少个进程存在,每个用户都会得到应有的CPU份额。

    例如:考虑两个用户的系统,每个用户获得50%CPU时间,用户1有四个进程:ABCD。用户2只有一个进

    E,则按照轮转调度算法进程执行顺序是AEBECEDEAEBECE….如果假设用户1获得的时间为2的两倍,则执行顺序是ABECDEABE…。当然,也有可能存在其他情况,这取决于系统对公平的定义。


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  • linux进程调度策略

    2014-04-01 11:07:37
    Linux进程调度策略 linux内核的三种主要调度策略: 1,SCHED_OTHER 分时调度策略,  2,SCHED_FIFO实时调度策略,先到先服务  3,SCHED_RR实时调度策略,时间片轮转 实时进程将得到优先调用,实时...
    

    Linux进程调度策略

    linux内核的三种主要调度策略:

    1SCHED_OTHER 分时调度策略, 

    2SCHED_FIFO实时调度策略,先到先服务 

    3SCHED_RR实时调度策略,时间片轮转

    实时进程将得到优先调用,实时进程根据实时优先级决定调度权值。分时进程则通过nicecounter值决定权值,nice越小,counter越大,被调度的概率越大,也就是曾经使用了cpu最少的进程将会得到优先调度。

     

    SHCED_RRSCHED_FIFO的不同:

         当采用SHCED_RR策略的进程的时间片用完,系统将重新分配时间片,并置于就绪队列尾。放在队列尾保证了所有具有相同优先级的RR任务的调度公平。      

        SCHED_FIFO一旦占用cpu则一直运行。一直运行直到有更高优先级任务到达或自己放弃。

        如果有相同优先级的实时进程(根据优先级计算的调度权值是一样的)已经准备好,FIFO时必须等待该进程主动放弃后才可以运行这个优先级相同的任务。而RR可以让每个任务都执行一段时间。

      

    相同点:

        RRFIFO都只用于实时任务。

        创建时优先级大于0(1-99)

        按照可抢占优先级调度算法进行。

        就绪态的实时任务立即抢占非实时任务。

     

    所有任务都采用linux分时调度策略时:

    1,创建任务指定采用分时调度策略,并指定优先级nice(-20~19)

    2,将根据每个任务的nice值确定在cpu上的执行时间(counter)

    3,如果没有等待资源,则将该任务加入到就绪队列中。

    4,调度程序遍历就绪队列中的任务,通过对每个任务动态优先级的计算权值(counter+20-nice)结果,选择计算结果最大的一个去运行,当这个时间片用完后(counter减至0)或者主动放弃cpu时,该任务将被放在就绪队列末尾(时间片用完)或等待队列(因等待资源而放弃cpu)中。

    5,此时调度程序重复上面计算过程,转到第4步。

    6,当调度程序发现所有就绪任务计算所得的权值都为不大于0时,重复第2步。

     

    所有任务都采用FIFO时:

    1,创建进程时指定采用FIFO,并设置实时优先级rt_priority(1-99)

    2如果没有等待资源,则将该任务加入到就绪队列中。

    3,调度程序遍历就绪队列,根据实时优先级计算调度权值(1000+rt_priority),选择权值最高的任务使用cpu,该FIFO任务将一直占有cpu直到有优先级更高的任务就绪(即使优先级相同也不行)或者主动放弃(等待资源)

    4,调度程序发现有优先级更高的任务到达(高优先级任务可能被中断或定时器任务唤醒,再或被当前运行的任务唤醒,等等),则调度程序立即在当前任务堆栈中保存当前cpu寄存器的所有数据,重新从高优先级任务的堆栈中加载寄存器数据到cpu,此时高优先级的任务开始运行。重复第3步。

    5,如果当前任务因等待资源而主动放弃cpu使用权,则该任务将从就绪队列中删除,加入等待队列,此时重复第3步。

     

    所有任务都采用RR调度策略时:

    1,创建任务时指定调度参数为RR,并设置任务的实时优先级和nice(nice值将会转换为该任务的时间片的长度)

    2,如果没有等待资源,则将该任务加入到就绪队列中。

    3,调度程序遍历就绪队列,根据实时优先级计算调度权值(1000+rt_priority),选择权值最高的任务使用cpu

    4,如果就绪队列中的RR任务时间片为0,则会根据nice值设置该任务的时间片,同时将该任务放入就绪队列的末尾。重复步骤3

    5,当前任务由于等待资源而主动退出cpu,则其加入等待队列中。重复步骤3

     

    系统中既有分时调度,又有时间片轮转调度和先进先出调度: 

    1RR调度和FIFO调度的进程属于实时进程,以分时调度的进程是非实时进程。

    2,当实时进程准备就绪后,如果当前cpu正在运行非实时进程,则实时进程立即抢占非实时进程。

    3RR进程和FIFO进程都采用实时优先级做为调度的权值标准,RRFIFO的一个延伸。FIFO时,如果两个进程的优先级一样,则这两个优先级一样的进程具体执行哪一个是由其在队列中的未知决定的,这样导致一些不公正性(优先级是一样的,为什么要让你一直运行?),如果将两个优先级一样的任务的调度策略都设为RR,则保证了这两个任务可以循环执行,保证了公平。

     

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  • posix多线程有感–进程调度策略(SCHED_OTHER,SCHED_FIFO,SCHED_RR) http://blog.csdn.net/ctthuangcheng/article/details/8914149

    有了以下这几篇前辈总结的博文,应该对于Linux 的几种调度策略会有一定的理解

    1. posix多线程有感–进程调度策略(SCHED_OTHER,SCHED_FIFO,SCHED_RR)
      http://blog.csdn.net/ctthuangcheng/article/details/8914149

    2. linux进程调度之总章:一些片汤话
      http://blog.chinaunix.net/uid-24774106-id-3372932.html

    3. linux进程调度之 FIFO 和 RR 调度策略
      http://blog.chinaunix.net/uid-24774106-id-3379478.html

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  • LINUX内核的进程调度策略 一:调度时机: 内核中:进程自己通过系统调用schedule()或者schedule_timeout()自愿放弃CPU,让CPU调度其他的进程。(schedule_timeout() 可以指定放弃CPU的时间) 1:自愿调度: 用户...

    LINUX内核的进程调度策略

    一:调度时机:

    内核中:进程自己通过系统调用schedule()或者schedule_timeout()自愿放弃CPU,让CPU调度其他的进程。(schedule_timeout() 可以指定放弃CPU的时间)

    1:自愿调度:

    用户空间:进程通过系统调用pause()或者nanosleep()而自愿放弃CPU。(nanosleep()也可以指定放弃CPU的时间,此外,Sleep()、Sleep_on()是库函数,不是系统调用,最终也是通过系统调用实现放弃CPU)

    2:非自愿调度:

    主要发生在系统从内核态返回到用户态时(即从系统空间返回到用户空间),

    主要发生在以下几种情况:用户进程进行系统调用返回时(系统调用在系统空间中完成);中断处理完成时(中断处理也是在系统空间);异常处理完成时(异常处理也在系统空间)。

    CPU每次从系统空间返回到用户空间时,都会进行一次进程调度。此外,每次时钟中断产生时,发现当前运行进程的时间片超时,也会进行一次进程调度(这也是LINUX系统中各个进程都能够得到执行的原因,否则,如果某个进程不进行系统调用,自身运行有没有异常,又不自愿放弃CPU,系统中又没有中断,则该进程会一直等到时间片用完为止)。也就是说,强制进程调度只发生在用户空间,绝对不会发生在系统空间中。

    二:调度方式:“有条件可剥夺”方式。 通过以上调度时机的分析,可见,LINUX内核使用的是“有条件可剥夺”方式的进程调度,当系统运行在系统空间时,是不可已被剥夺的,但是,一旦系统从系统空间返回返回到用户空间时,当前进程就有可能被剥夺CPU的占用权。

    三:调度策略:(重点)----“以进程各自的优先级和调度策略“为基础的调度策略。 1:总的调度策略:系统会根据每个进程的优先级和它所采用的调度策略,通过某种算法计算出各个进程的一个运行“权值”,系统每次调度时,就根据这个权值进行调度,权值最高的,最先被调度。但是,这个权值并不是一成不变的,而是随着被执行进程执行的时间而递减,这样,原来权值较低的进程也可以有机会得到执行(保证进程调度的“公正”性)。当所有进程的权值都减小到0时(注意:如果有线程采用下面将要提到的SCHED_FIFO或者,SCHED_RR调度策略,则不可能所有进程的权值都变成0,至少采用这两种调度策略的进程的权值最少会保持1000),系统就会重新计算一次所有进程的权值,再次重复上述调度过程。 ****注:正是因为计算权值的时候,考虑了各个进程的优先级和它所采用的调度策略,所以说,LINUX内核的调度策略是“以进程各自的优先级和调度策略“为基础的调度策略。

    2:进程自己的调度策略: 为适应不同的需要,LINUX内核设计了三种不同的进程调度政策:

    SCHED_FIFO--------适用于对时间性要求比较强,而且每次运行时所用的时间比较短,实时应用程序适合这种策略。

    SCHED_RR-----------“RR”是 Round Robin(轮流)的意思,适合程序比较大,每次运行都需要花费很长时间的进程。

    SCHED_OTHER------传统的调度策略,适用于交互式的分时应用 。此外,各个进程可以通过系统调用sched_setscheduler()设置自己的调度策略。

    四:通过以上对LINUX进程调度策略的分析,可以得出这种调度策略不能保证实时性要求,所以需要打个所谓的实时补丁包。 但是,在目前不能改变调度策略的情况下,要想提高实时性,可以采取以下措施

    1:将CPU时间片划分的小一些。这样做的弊端是进程调度会很频繁,增加因为进程调度而花费的开销。

    2:实时进程采用高的优先级(1—99)。

    3:实时进程采用SCHED_FIFO的调度策略,但其中要又sleep()等类似的操作

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