【Java并发编程】操作系统基础(三):进程调度

发布于 2020-9-24 10:56
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1.调度时机


在创建一个新进程之后,需要决定是运行父进程还是运行子进程。由于这两种进程都处于就绪状态,所以这是一种正常的调度决策,可以任意决定。

 

在一个进程退出时必须做出调度决策。一个进程不再运行,所以必须从就绪进程集中选择另外某个进程。如果没有就绪的进程,通常会运行一个系统提供的空闲进程。

 

当一个进程在阻塞I/O和信号量上或由于其他原因阻塞时,必须选择另一个进程运行。

 

在一个I/O中断发生时,必须做出调度决策。如果中断来自I/O设备,而该设备现在完成了工作,某些阻塞的等待该I/O进程就成为可运行的就绪进程了。是否让新就绪的进程运行,这取决于调度程序的决定 ,或者让中断发生时运行的进程继续运行,或者应该让某个其他进程运行。

 

注:区分一个多任务分时系统是抢占式的还是非抢占式的,则要看进程能否在发生中断时产生调度(抢占)。

 

2.调度模型

 

2.1 抢占式

 

线程在拥有CPU时可以被CPU结束或者被别的线程将CPU抢占过去,一般是通过时间片来决定是否抢占

 

抢占式调度指的是每条线程执行的时间、线程的切换都由系统控制,系统控制指的是在系统某种运行机制下,可能每条线程都分同样的执行时间片,也可能是某些线程执行的时间片较长,甚至某些线程得不到执行的时间片。如果在该时段结束时,该进程仍在运行,它就被挂起,而调度程序挑选另一个进程运行(如果存在一个就绪进程)。

 

在这种机制下,一个线程的堵塞不会导致整个进程堵塞。

 

时间片小:假如进程切换需要5毫秒,最大值为20毫秒,那么在做完20毫秒有用的工作之后,CPU将花费5毫秒来进行进程切换,在100毫秒内CPU时间就有20%被浪费在了进程切换上。

 

时间片大:为了提高CPU效率,我们将最大值设为500毫秒,这时浪费的时间只有1%。但考虑在一个分时系统中,如果有十个交互用户几乎同时按下回车键,将发生什么情况?假设所有其他进程都用足它们的时间,最后一个不幸的进程不得不等待5秒钟才获取运行机会,这通常是用户无法忍受的。

 

所以这里得出一个结论:时间设得太短会导致过多的进程切换,降低CPU效率;而设得太长又可能引起对短的交互请求的响应变差。将时间片设为20ms-50ms通常是一个比较合理的折中。

 

2.2 非抢占式

 

非抢占式调度算法挑选一个进程,然后让该进程运行直至阻塞(阻塞在I/O上或等待另一个进程),或者直到该进程自动释放CPU。即使该进程运行了若干个小时,它也不会被强迫挂起。这样做的结果是,在时钟中断发生时不会进行调度。在处理完时钟中断后,如果没有更高优先级的进程等待到来,则被中断的进程会继续执行。

 

线程的执行时间由线程本身控制,线程切换可以预知,不存在多线程同步问题,但它有一个致命弱点:如果一个线程编写有问题,运行到一半就一直堵塞,那么可能导致整个系统崩溃。

 

注:Windows3.x是使用的非抢占式,Windows95以后及UNIX,Linux最新内核都是使用的抢占式。

 

3.调度策略

 

3.1 先来先服务(FCFS、非抢占式)

 

使用该算法,进程按照它们请求CPU的顺序使用CPU。基本上,有一个就绪进程的单一队列。当第一个作业从外部进入系统,就立即开始并允许运行它所期望的时间。不会中断该作业,因为它需要很长的时间运行。

 

当其也作业进入时,它们就被安排到队列的尾部。当正在运行的进程被阻塞时,队列中的第一个进程就接着运行。

 

在被阻塞的进程变为就绪时,就像一个新来到的作业一样,排到队列未尾。

 

优点

易于理解并且便于在程序中运用。

在这个算法中,一个单链表记录了所有就绪进程。要选取一个进程运行,只要从该队列的头部移走一个进程即可;要添加一个新的作业或阻塞一个进程,只要把该作

业或进程附加在相应队列的末尾即可

 

缺点

CPU和I/O设备得不到充分利用。

假如,有一个一次运行1秒钟的CPU密集型进程和每个都要进行1000次磁盘读操作的I/O密集型进程存在。CPU密集型进程运行1秒钟,接着I/O密集型进程开始读一个磁盘块,此时它将会被阻塞,加入到队列未尾。CPU密集型进程接着运行,依次循环,这样I/O密集型进程就要要等1000秒钟才能完成操作。如果有一个调度算法每10ms抢占计算密集型进程,那么I/O进程将在10秒钟内完成而不是1000秒钟,而且还不会对计算密集型进程产生多少延迟。

 

3.2 最短作业优先(SJF、非抢占式)

 

进程开始获取CPU一直运行直到完成或者由于某事件被阻塞放弃CPU,运行结束后从当前就绪队列选择“最短”的进程运行。该调度算法适用于运行时间可以预知的任务。

 

优点:可以有效减少周转时间
假如有A、B、C、D四个进程,分别要执行A(8),B(4),C(4),D(4)分钟,按照原有次序运行作业:【Java并发编程】操作系统基础(三):进程调度-开源基础软件社区

 

则A的周转时间为8分钟,B为12分钟,C为16分钟,D为20分钟,平均(8+12+16+20)/4=14分钟。如果按照最短作业优先次序运行:【Java并发编程】操作系统基础(三):进程调度-开源基础软件社区

 

则B的周转时间为4分钟,C为8分钟,D为12分钟,A为20分钟,平均(4+8+12+20)/4=11分钟


缺点:利用短进程,长进程可能由于得不到CPU,而“饿死”。

 

有必要指出,只有在所有作业都可同时运行的情形下,最短作业优先算法才是最优化的。作为一个反例,考虑5个作业,从A到E,运行时间分别是2、4、1、1和1。它们的到达时间是0、0、3、3和3。 开始只能选择A或B,因为其他三个作业还没有到达。使用最短作业优先,将按照A、B、C、D、E的顺序运行作业,其平均等待时间是4.6。但是,按照B、C、D、E、A的顺序运行作业,其平均等待时间则是4.4。

 

3.3 最高响应比优先(HRP、非抢占式)

 

进程开始获取CPU一直运行直到完成或由于某事件被阻塞放弃CPU,运行结束从当前就绪队列选择最高响应比的进程投入运行。响应比=(响应时间+运行时间)/运行时间


在响应时间固定的情况下,利于短进程。长进程随着等待时间变长,响应比会提高,因此长进程也能在足够长的时间被调度。

 

优缺点:利用短进程、长进程不会被饿死。

 

3.4 最短剩余时间(SRT、抢占)

 

使用这个算法,调度程序总是选择剩余运行时间最短的那个进程运行。有关的运行时间必须提前掌握。当一个新的作业到达时,其整个时间同当前进程剩余时间做比较。

 

如果新的进程比当前运行进程需要更少的时间,当前进程就被挂起,而运行新的进程。

 

优缺点:利于短进程,开销大,不利于长进程。

 

3.5 轮转调度

 

每个进程被分配一个时间段,称为时间片,即允许该进程在该时间段中运行。如果在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结束前阻塞或结束,则CPU立即进行切换。

 

时间片轮转调度很容易实现,调度程序所要做的就是维护一张可运行进程列表,如下图【Java并发编程】操作系统基础(三):进程调度-开源基础软件社区

 

当一个进程用完它的时间片后,就被移到队列的末尾,如下图。【Java并发编程】操作系统基础(三):进程调度-开源基础软件社区

此算法是最古老、最简单、最公平且使用最广的算法


3.6 优先级调度(Java)

 

轮转调度做了一个隐含的假设,即所有的进程同等重要,而拥有和操作多用户计算机系统的人对此有不同的看法。这种将外部因素考虑在内的需要就导致了优先级调度。其基本思想很清楚:每个进程被赋予一个优先级,允许优先级最高的可运行进程先运行。

 

为了防止高优先级进程一直获取CPU,调度程序可以在每个时钟滴答(即每个时钟中断)降低当前进程的优先级。如果这个动作导致该进程的优先级低于次高优先级的进程,则进行进程切换。

 

每个进程可以被赋予一个允许运行的最大时间片,当这个时间片用完,下一个次高优先级的进程获得机会运行。

 

在有些操作系统内中,优先级越高的进(线)程会分到更大的时间片

 

可以很方便地将一组进程按优先级分成若干类,并且在各类之间采用优先级调度,而在各类进程的内部采用轮转调度。如图:【Java并发编程】操作系统基础(三):进程调度-开源基础软件社区

 

其调度算法如下

 

只要存在优先级为第4类的可运行进程,就按照轮转法为每个进程运行一个时间片,此时不理会较低先级的进程

若第4类进程为空,则按照轮转法运行第3类进程。
若第4类和第3类均为空,则按轮转法运行第2类进程。

如果不偶尔对优先级进行调整,则低优先级进程很可能会产生饥饿现象。

 

除了上面介绍的几种算法以外,还有多级队列,多级反馈队列,保证调度,彩票调度等算法,此处不再一一的进行介绍。

 

 

作者:A minor

来源:CSDN

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