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  • 进程调度的设计与实现 目录 一、 实验的目的………………………………………………1 二、 实验的内容(任务)要求……………………………1 三、 实验设备环境…………………………………………1 四、 实验的原理...
  • 调度:多级反馈队列

    2021-01-22 05:52:44
    调度:多级反馈队列 目录调度:多级反馈队列1. MLFQ:基本规则8.2 尝试1:如何改变优先级3. 尝试2:提升优先级4. 尝试3:更好的计时方式5. MLFQ 调优其他问题6. MLFQ:小结 多级反馈队列(Multi-level Feedback ...

    调度:多级反馈队列

    多级反馈队列(Multi-level Feedback Queue,MLFQ)

    • 优化周转时间
    • 降低响应时间

    问题:
    没有工作长度的先验(priori)知识,设计能同时减少响应时间和周转时间的调度程序。
    多级反馈队列
    多级反馈队列是从历史经验学习,并预测未来。

    1. MLFQ:基本规则

    MLFQ 中有许多独立的队列(queue),每个队列有不同的优先级(priority level)。任何时刻,一个工作只能存在于一个队列中。

    MLFQ 总是优先执行较高优先级的工作(即在较高级队列中的工作)。

    每个队列中可能会有多个工作,因此具有同样的优先级。在这种情况下,我们就对这些工作采用轮转调度。

    MLFQ根据观察到的行为调整任务的优先级。例如,如果一个工作不断放弃CPU 去等待键盘输入,这是交互型进程的可能行为,MLFQ 因此会让它保持高优先级。相反,如果一个工作长时间地占用 CPU,MLFQ 会降低其优先级。通过这种方式,MLFQ 在进程运行过程中学习其行为,从而利用工作的历史来预测它未来的行为。

    MLFQ 的两条基本规则:

    • 规则 1:如果 A 的优先级 > B 的优先级,运行 A(不运行 B)。
    • 规则 2:如果 A 的优先级 = B 的优先级,轮转运行 A 和 B。

    2. 尝试1:如何改变优先级

    在一个工作的生命周期中,MLFQ 如何改变其优先级?

    工作负载既有运行时间很短、频繁放弃 CPU 的交互型工作;也有需要很多 CPU 时间、响应时间却不重要的长时间计算密集型工作。

    优先级算法调整1

    • 规则 3:工作进入系统时,放在最高优先级(最上层队列)。
    • 规则 4a:工作用完整个时间片后,降低其优先级(移入下一个队列)。
    • 规则 4b:如果工作在其时间片以内主动释放 CPU,则优先级不变。

    说明:

    1. 如果不知道工作是短工作还是长工作,那么就在开始的时候假设其是短工作,并赋予最高优先级。如果确实是短工作,则很快会执行完毕,否则将被慢慢移入低优先级队列,而这时该工作也被认为是长工作了。通过这种方式,MLFQ 近似于 SJF。
    2. 假设交互型工作中有大量的 I/O 操作(比如等待用户的键盘或鼠标输入),它会在时间片用完之前放弃 CPU。在这种情况下,我们不想处罚它,只是保持它的优先级不变。

    存在的问题:

    1. 饥饿(starvation)问题。如果系统有“太多”交互型工作,就会不断占用
      CPU,导致长工作永远无法得到 CPU。
    2. 愚弄调度程序(game the scheduler)。
    3. 一个程序可能在不同时间表现不同。一个计算密集的进程可能在某段时间表现为一个交互型的进程。用目前的方法,它不会享受系统中其他交互型工作的待遇。

    3. 尝试2:提升优先级

    否避免饥饿问题,让 CPU 密集型工作也能取得一些进展。解决问题1, 3。

    一个简单的思路是周期性地提升(boost)所有工作的优先级。

    优先级算法调整2

    • 规则 5:经过一段时间 S,就将系统中所有工作重新加入最高优先级队列。

    时间段 S 如果设置得太高,长工作会饥饿;如果设置得太低,交互型工作又得不到合适的 CPU 时间比例。

    4. 尝试3:更好的计时方式

    为 MLFQ 的每层队列提供更完善的 CPU 计时方式(accounting),解决问题 2 。

    调度程序应该记录一个进程在某一层中消耗的总时间,而不是在调度时重新计时。只要进程用完了自己的配额,就将它降到低一优先级的队列中去。不论它是一次用完的,还是拆成很多次用完。重写规则 4a 和 4b 。

    优先级算法调整3

    • 规则 4:一旦工作用完了其在某一层中的时间配额(无论中间主动放弃了多少次CPU),就降低其优先级(移入低一级队列)。

    5. MLFQ 调优及其他问题

    如何配置一个调度程序:

    • 配置多少队列?
    • 每一层队列的时间片配置多大?
    • 该多久提升一次进程的优先级?(S)

    6. MLFQ:小结

    调度规则

    • 规则 1:如果 A 的优先级 > B 的优先级,运行 A(不运行 B)。
    • 规则 2:如果 A 的优先级 = B 的优先级,轮转运行 A 和 B。 规则 3:工作进入系统时,放在最高优先级(最上层队列)。
    • 规则 4:一旦工作用完了其在某一层中的时间配额(无论中间主动放弃了多少次CPU),就降低其优先级(移入低一级队列)。
    • 规则 5:经过一段时间 S,就将系统中所有工作重新加入最高优先级队列。

    MLFQ 不需要对工作的运行方式有先验知识,而是通过观察工作的运行来给出对应的优先级。通过这种方式,MLFQ 可以同时满足各种工作的需求:对于短时间运行的交互型工作,获得类似于 SJF/STCF 的很好的全局性能,同时对长时间运行的CPU 密集型负载也可以公平地、不断地稳步向前。

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    处理机调度

    处理机调度与层次

    基本概念

    • 当有一堆任务要处理时,但由于资源有限,这些事情没办法同时处理,这就需要缺点某种规则来决定处理这些任务得顺序,这就是“调度”研究得问题
    • 在多道系统程序中,进程得数量往是往多于处理机得个数得,这样不可能同时并行地处理各个进程
    • 处理机调度,就是从就绪队列当中按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行,以实现进程地并发执行。

    高级调度

    • 高级调度(作业调度):按照一定的原则从外村上处于后备队列地作业中挑选一个(或多个)作业,给他们分配内存等必要资源,并建立相应地进程(建立PCB),以使它(们)获得竞争处理机地权力。
    • 高级调度是辅存(外存)与内存之间地调度。每个作业只调入一次,调出一次。作业调入时会建立相应地PCB,作业调出时才撤销PCB。高级调度主要是指调入的问题,因为只有调入的时机需要操作系统来确定,但调出的时机必然是作业运行结束才调出。

    中级调度

    • 引入了虚拟存储技术之后,可将暂时不能运行的进程调至外存等待,等它重新具备了运行条件且内存又稍有空间时,在重新调入内存。这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。
    • 暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态,值得注意的是,PCB并不会一起调到外存,而是会常驻内存。PCB中会记录进程数据在外存中的存放位置,进程状态等信息,操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到挂起队列中。
    • 中级调度(内存调度):就是又要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存
    • 一个进程可能被多次调出、调入内存,因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。

    低级调度

    • 低级调度(进程调度):其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程,将处理机分配给它。
    • 进程调度是操作系统中最基本的一种调度,在一般的操作系统中都必须配置进程调度
    • 进程调度的频率很高,一般几十毫秒一次
    层次 要做什么 调度发生在 发生频率 对进程状态的影响
    高级调度(作业调度) 按照某种规则,从后背队列中选择合适的作业将其调入内存,并为其创建进程 外存->内存(面向作业) 最低 无->创建态->就绪态
    中级调度(内存调度) 按照某种规则,从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存 外存->内存(面向进程) 中等 挂起态->就绪态(阻塞挂起->阻塞态)
    低级调度(进程调度) 按照某种规则,从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机 内存->CPU 最高 就绪态->运行态

    进程调度的时机、切换与过程、方式

    进程调度的时机

    • 需要进程进程调度与切换的情况
      • 当前运行的进程主动放弃处理机
        • 进程正常终止
        • 运行过程中发生异常而终止
        • 进程主动请求阻塞(如等待I/O)
      • 当前运行的进程被动放弃处理机
        • 分给进程的时间片用完
        • 有更紧急的事需要处理(如I/O中断)
        • 有更高优先级的进程进入就绪队列
    • 不能进行进程调度与切换的情况
      • 在处理中断的过程中。中断处理过程复杂,与硬件密切相关,很难做到在中断处理过程中进行进程切换
      • 进程在操作系统内核程序的临界区中。
      • 在原子操作过程中(原语)。原子操作不可中断,要一气呵成。

    进程调度的方式

    • 非剥夺调度方式(非抢占方式),即只允许主动放弃处理机。在运行过程有更紧急的任务到达,当前的进程依然会继续使用处理机,直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。
      • 实现简单,系统开销小但无法及时处理紧急任务,适合于早期的批处理系统
    • 剥夺调度方式(抢占方式),当一个进程正在处理机上执行时,如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机,则立即停止正在执行的过程,将处理机分配给更重要紧迫的哪个进程
      • 可以优先处理更紧急的进程,也可实现让各进程按时间片轮流执行的功能(通过时钟中断)。适合于分时操作系统、实时操作系统

    进程的切换与过程

    • 狭义的进程调度指的是从就绪队列中选中一个要运行的进程(这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程,也可能是另一个进程,后一种情况就需要进程切换)
    • 进程切换是指一个进程让出处理机,由另一个进程占用处理机的过程
    • 广义的进程调度包括了选择一个进程和进程切换两个步骤
    • 进程切换的过程主要完成了:
      • 对原来的运行进程各个数据的保存
      • 对新的进程各种数据的恢复
    • 注:进程切换是有代价的,因此如果过于频繁的进行进程调度、切换,必然会使整个系统的效率降低,使系统大部分时间都花在了进程切换上,而真正用于执行进程的时间减少。

    调度算法的评价指标

    • cpu利用率:指cpu忙碌的时间占总时间的比例
      • 利用率=忙碌的时间/总时间
    • 系统吞吐量:单位时间内完成作业的数量
      • 总共完成了多少道作业/总共花了多少时间
    • 周转时间:是指从作业被提交给系统开始,到作业完成为止的这段时间间隔
      • 周转时间=作业完成时间-作业提交时间
      • 平均周转时间=各作业周转时间之和/作业数
      • 带权周转时间=作业周转时间/作业实际运行的时间=(作业完成时间-作业提交时间)/作业实际运行的时间
    • 等待时间:进程/作业处于等待处理机状态时间之和,等待时间越长,用户满意度越低
    • 响应时间:指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间

    调度算法

    先来先服务(FCFS)

    • 算法规则:按照作业/进程到达先后顺序进行服务
    • 非抢占式的算法
    • 优点:公平,算法实现简单
    • 缺点:排在长作业(进程)后面的短作业需要等待很长时间,带权周转时间很大,对短作业来说用户体验不好。即FCFS算法对长作业有利,对短作业不利
    • 不会导致饥饿

    短作业优先(SJF)

    • 算法思想:追求最少的平均等待时间,最少的平均周转时间、最少的平均带权周转时间
    • 算法规则:最短的作业/进程优先得到服务(服务时间最短)
    • 即可用于作业调度,也可用于进程调度,用于进程调度时称为“短进程优先(SPF)算法”
    • 非抢占式的算法,但也有抢占式的版本–最短剩余时间算法(SRTN)
    • 优点:"最短的"平均等待时间、平均周转时间
    • 缺点:不公平。对短作业有利,对长作业不利,可能会产生饥饿现象
    • 如果源源不断地有短作业到来,可能使长作业长时间得不到服务,产生“饥饿”现象。如果一直得不到服务,则成为“饿死”

    高响应比优先(HRRN)

    • 算法思想:综合考虑作业/进程地等待时间和要求服务时间
    • 算法规则:在每次调度时先计算各个作业/进程的响应比,选择响应比最高的作业/进程为其服务
      • 响应比=(等待时间+要求服务时间)/要求服务时间
    • 即可用于作业调度,也可用于进程调度
    • 非抢占式算法
    • 优点
      • 综合考虑了等待时间和运行时间
      • 等待时间相同时,要求服务时间短的优先(JSF优点)
      • 要求服务时间相同时,等待时间长的优先(FCFS的优点)
      • 对于长作业来说,随着等待时间的增长,响应比也会越来越大,从而避免了长作业饥饿的问题

    时间片轮转调度算法(RR)

    • 算法思想:公平的、轮流的为各个进程服务,让每个进程在一定的时间间隔内都能得到响应
    • 算法规则:按照各个进程到达就绪队列的顺序,轮流让各个进程执行一个时间片。若进程未在一个时间片内执行完,则剥夺处理机,将进程重新放到就绪队列队尾中心排队
    • 用于进程调度
    • 非抢占式算法
    • 优点:公平,响应快,适用于分时操作系统
    • 缺点:由于高频率的进程切换,因此有一点的开销;不区分任务的紧急程度
    • 不会导致饥饿

    优先级调度

    • 算法规则:每个作业/进程各有优先级,调度时选择优先级高的
    • 既可用于作业调度,也可用于进程调度
    • 抢占式。非抢占式都有
    • 优点:用有点急区分紧急程度、重要程度,适用于实时操作系统,可灵活的调整对各种作业/进程的偏好程度
    • 缺点:如源源不断地有优先级高的进程尽量,可能导致饥饿

    多级反馈队列调度算法

    • 算法规则
      • 设置多级就绪队列,各级队列优先级从高到低,时间片从小到大
      • 新进程到达时先进入第1级队列,按FCFS原则排队等待被分配时间片,若用完时间片还未结束,则进程进入下一级队列队尾。如果此时已经是在最下级地队列,则重新放回该队列队尾
      • 只有第k级队列为空时,才会为k+1级队头的进程分配时间片
    • 用于进程调度
    • 抢占式的算法
    • 优点:
      • 对给类型进程相对公平(FCFS优点)
      • 每个新到达的进程都可以很快得到响应(RR优点)
      • 短进程只用较少的时间就可以完成(SPF优点)
      • 不必实现估计进程的运行时间
      • 可灵活的调整对各类进程的偏好程度,比如CPU密集型进程,I/O密集型进程
    • 会导致饥饿现象
    展开全文
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    调度算法

    操作系统管理了系统的有限资源,当有多个进程(或多个进程发出的请求)要使用这些资源时,因为资源的有限性,必须按照一定的原则选择进程(请求)来占用资源。这就是调度。目的是控制资源使用者的数量,选取资源使用者许可占用资源或占用资源。

    时间片轮转调度算法

    一种最古老,最简单,最公平且使用最广的算法。每个进程被分配一时间段,称作它的时间片,即该进程允许运行的时间。

    基本原理

    在早期的时间片轮转法中,系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则,排成一个队列,每次调度时,把CPU分配给队首进程,并令其执行一个时间片.时间片的大小从几ms到几百ms.当执行的时间片用完时,由一个计时器发出时钟中断请求,调度程序便据此信号来停止该进程的执行,并将它送往就绪队列的末尾;然后,再把处理机分配给就绪队列中新的队首进程,同时也让它执行一个时间片.这样就可以保证就绪队列中的所有进程,在一给定的时间内,均能获得一时间片的处理机执行时间.

    时间片的确定依据

    1.系统对响应时间的要求
    2.就绪队列中进程的数目
    3.系统的处理能力

    多级反馈队列调度算法

    多级反馈队列调度算法是一种CPU处理机调度算法,UNIX操作系统采取的便是这种调度算法,既能使高优先级的作业得到响应又能使短作业(进程)迅速完成。

    基本原理(假设为N级)

    1、设有N个队列(Q1,Q2…QN),其中各个队列对于处理机的优先级是不一样的,也就是说位于各个队列中的作业(进程)的优先级也是不一样的。一般来说,优先级Priority(Q1) > Priority(Q2) > … > Priority(QN)。怎么讲,位于Q1中的任何一个作业(进程)都要比Q2中的任何一个作业(进程)相对于CPU的优先级要高(也就是说,Q1中的作业一定要比Q2中的作业先被处理机调度),依次类推其它的队列。
    2、对于优先级最低的队列来说,里面是遵循时间片轮转法。也就是说,位于队列QN中有M个作业,它们的运行时间是通过QN这个队列所设定的时间片来确定的;对于其他队列,遵循的是先来先服务算法,每一进程分配一定的时间片,若时间片运行完时进程未结束,则进入下一优先级队列的末尾。
    3、各个队列的时间片是一样的吗?不一样,这就是该算法设计的精妙之处。各个队列的时间片是随着优先级的增加而减少的,也就是说,优先级越高的队列中它的时间片就越短。同时,为了便于那些超大作业的完成,最后一个队列QN(优先级最低的队列)的时间片一般很大。

    高响应比优先调度算法

    高响应比优先调度算法(Highest Response Ratio Next)是一种对CPU中央控制器响应比的分配的一种算法。HRRN是介于FCFS(先来先服务算法)与SJF(短作业优先算法)之间的折中算法,既考虑作业等待时间又考虑作业运行时间,既照顾短作业又不使长作业等待时间过长,改进了调度性能。

    基本原理

    高响应比优先调度算法(Highest Response Ratio Next)是一种对CPU中央控制器响应比的分配的一种算法。HRRN是介于FCFS(先来先服务算法)与SJF(短作业优先算法)之间的折中算法,既考虑作业等待时间又考虑作业运行时间,既照顾短作业又不使长作业等待时间过长,改进了调度性能。

    短作业优先

    最短作业优先(SJF)调度算法将每个进程与其下次 CPU 执行的长度关联起来。当 CPU 变为空闲时,它会被赋给具有最短 CPU 执行的进程。如果两个进程具有同样长度的 CPU 执行,那么可以由 FCFS 来处理。

    高优先级优先

    高优先权优先调度算法指的是一种在紧迫型作业进入系统后能得到优先处理的计算机算法。

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    它们的到达时间和服务时间如表3-1所示,忽略I/O以及其他开销时间,若分别按先来先服务(FCFS)、非抢占抢占的短进程优先(SPF)、高响应比优先(HRRN)、时间片轮转(RR,时间片=1)、多级反馈队列调度算法(FB,...

    问题描述

    假设一个系统中有5个进程,它们的到达时间和服务时间如表3-1所示,忽略I/O以及其他开销时间,若分别按先来先服务(FCFS)非抢占及抢占的短进程优先(SPF)高响应比优先(HRRN)时间片轮转(RR,时间片=1)多级反馈队列调度算法(FB,第i级队列的时间片=2i-1)以及立即抢占的多级反馈队列调度算法(FB,第i级队列的时间片=2i-1) 进行CPU调度,请给出各进程的完成时间、周转时间、带权周转时间、平均周转时问和平均带权周转时间

    正确答案

    对上述5个进程按各种调度算法调度的结果如图3-2所示从中可以计算出各进程的完成时间、周转时间和平均周转时间(如表3-2所示)。

     

    进程调度的关键是理解和掌握调度所采用的算法。FCFS算法选择最早进入就绪队列的进程投入执行;SPF算法选择估计运行时间最短的进程投入执行(采用抢占方式时,若新就绪的进程运行时间比正在执行的进程的剩余运行时间短,则新进程将抢占CPU);HRRN算法选择响应比()最高的进程投入执行;RR算法中,就绪进程按FIFO方式排队,CPU总是分配给队首的进程,并只能执行一个时间片;FB算法将就绪进程排成多个不同优先权及时间片的队列,新就绪进程总是按FIFO方式先进入优先权最高的队列,CPU也总是分配给较高优先权队列上的队首进程,若执行一个时间片仍未完成,则转入下一级队列的末尾,最后一级队列则采用时间片轮转方式进行调度。



    作者:Co_zy
    链接:https://www.jianshu.com/p/4eed5bd38bf2
    來源:简书
    简书著作权归作者所有,任何形式的转载都请联系作者获得授权并注明出处。

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