调度
当计算机系统是多道程序系统时，通常就会有多个进程或线程同时竞争CPU。只要有两个或更多的进程处于就绪状态，这种情形就会发生。如果只有一个CPU可用,那么就必须选择下一个要运行的进程.在OS中，完成选择工作的这一部分就是称为调度程序(Scheduler)，改程序所有的算法调度算法。
1.1 调度简介
在网络服务器中，经常出现多个进程竞争CPU，因此调度功能再一次至关重要。在移动设备中，电池是瓶颈。
另外，为了选取正确的进程运行，调度程序还要考虑CPU的利用率，因为进程切换的代价是比较高的。
1.1.1 进程行为
几乎所有进程的IO请求和计算都是交替突发的。典型地，CPU不停顿地运行一段时间,然后发出一个系统调用以便读写文件.在完成系统调用之后,CPU继续计算。
一般随着CPU变得越来越快，进程更倾向于IO密集型，这种现象之所以发生是因为CPU的改进比磁盘快很多。
1.1.2 何时调度
有关调度处理的第一个关键问题是何时进行调度决策。存在着需要调度处理的各种情形。
- 在创建一个新进程后，先运行子进程还是父进程。由于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。也就是说，调度程序可以合法选择先运行父进程还是子进程。
- 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，通常系统会运行一个系统提供的空闲进程。
- 当一个进程阻塞IO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。有时，阻塞的原因会成为选择的因素。
- 在一个IO中断时，必须做出调度决策。如果中断来自IO设备，而该设备现在完成了工作，某些被阻塞的等待该IO的进程就成为可运行的就绪进程了。
如果硬件时钟提供50Hz、60Hz或其他频率的周期性中断，可以在每k个时钟中断时做出调度决策。如果处理时钟中断，可以把调度算法分为两类，非抢占式和抢占式。
- 非抢占式调度算法挑选一个进程，然后该进程运行直至被阻塞，或者进程自动释放CPU
- 抢占式调度算法挑选一个进程，让该进程运行某个固定时段的最大值。如果该时段结束，进程扔运行，它就被挂起，调度程序挑选另一个进程运行。
1.1.3 调度算法的分类
不同的环境需要不同的调度算法。之所以出现这种情形，是因为不同的应用领域。
- 批处理:在批处理系统中，一般不会有用户不耐烦地在终端旁等待一个短请求的快捷响应。因此，非抢占算法，对于每个进程都有长时间周期的抢占式算法，通过是可以接受的。
- 交互式:为了避免一个进程霸占CPU拒绝为其他进程服务，抢占是必须的。即使没有进程想永远执行，但是，某个进程由于一个程序错误也可能无限期排斥其他所有进程。
1.1.4 调度算法的目标
在所有的情形中，公平是很重要的。相似的进程应该得到相似的服务。另一个目标是，保持系统的所有部分尽可能忙碌。在批处理系统中，在批处理系统中既运行一些CPU密集，又运行一些IO密集比分别运行更好。
运行批量作业的指标:
- 吞吐率,每小时完成的作业数量
- 周转时间，作业开始到完成的平均时间
- CPU利用率
对于交互式系统来说，最重要的是响应时间。
1.2 批处理系统中的调度
1.2.1 先来先服务
在所有调度算法中，最简单的是非抢占式的先来先服务。使用该算法，进程按照它们请求CPU的顺序使用CPU。基本上，就一个就绪进程的单一队列，按照时间顺序执行。当其他作业执行时，它们被排到就绪队列尾部。当正在运行的进程被阻塞时，就绪队列中的第一个接着运行。当被阻塞进程恢复时，就像一个新来到的作业一样，排到就绪队列的末尾。
优点:
易于理解
缺点:
适合计算密集型，不适合IO密集型，因为被阻塞在恢复就要回到队列的尾部.
1.2.2 最短作业优先
最短CPU运行期优先调度算法，该算法丛就绪队列中选出一个cpu执行期最短的进程，分配给CPU.
优点:
良好的调度性能，充分利用cpu
缺点:
难以准确知道下一个CPU执行周期，而只能根据每个进程的执行历史进行预测。
1.3 交互式系统中的调度
1.3.1 轮转调度
最简单和公平使用最广的就是轮转调度。每个进程被分配一个时间段，称为时间片，即允许改进程在时间段运行。时间片结束，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立刻切换。
时间片的长度要适中，不能太长会太短。太短会引起太多的进程切换，太长会引起轮转到的请求速度太慢。
优点:
真正意义上实现了公平
缺点:
如果一个进程需要立刻执行，如飞机系统中，飞机进行降落。也需要等待时间片的分配
1.3.2 优先级调度
每一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。
可以动态确定优先级，例如，进程为IO密集型，其多数时间来等待IO结束。当这样的进程需要cpu时，应立即分配给它cpu,以便启动下一个io请求。
优点
可以让优先级高的or关键进程进行先使用cpu
缺点
低优先级进程可能存在饥饿的情况
1.3.3 多级队列
多级反馈队列方式是在系统中设置多个就绪队列，并赋予各队列以不同的优先权。
在优先级调度上进行了细化，针对不同的场景给予不同的时间片，减少进程切换的次数。但仍然面临低优先级进程的问题
1.4 策略和机制
以上的调度算法中，没有一个算法从用户进程接受有关调度决策信息，这就导致了调度程序很少能做出最优选择。
解决问题的办法是将调度机制与调度策略分离这个一贯的原则。也就是将调度算法以某种形式参数化，而参数可以由用户进程填写。假设内核使用优先级调度算法，并提供一条可供设置优先级的调用。这样，尽管父进程并不参与调度，但它可以控制如何调度子进程的细节。在这里，调度机制位于内核，而调度策略由用户进程决定。策略和机制分离是一种关键思路。
1.5 线程的调度
当若干进程都有多个线程时，就存在两个层次的并行：进程和线程。在这样的调度处理有本质差别，取决于支持的是用户线程还是内核级线程。
首先考虑用户级线程。由于内核并不知道有线程存在，所以内核还是和以前一样操作，选择一个进程，假设为A，并给予A时间片控制。A中的线程调度程序决定哪个线程运行。这个线程运行的时间就是进程的全部时间片，内核再选择另一个进程运行.
轮转算法和优先级算法是os中最常用的进程调度算法.
内核级线程，选择一个特定的线程运行，它不用考虑线程属于哪个进程，不过有必要的话，它可以这么做。对被选择的线程赋予一个时间片。
用户级线程和内核级线程之间的差别在于性能。用户级的线程切换需要少量的机器指令，而内核的线程需要完成的上下文切花，修改内存映像，让告诉缓存失效，这导致了若干数量级的延迟。另外，内核级线程在IO阻塞时，不需要将整个进程挂起
内核进程的切换，会根据进程之间的关系进行考量。如从进程A的一个线程切换到进程B的一个线程，一定没有切换到进程A的另一个线程更有效。
一般而言，应用定制的线程调度程序能够比内核更高满足应用需要。主要原因是内核本身不了解每个线程的应用。
1.6 Linux中的进程调度器
Linux在内核2.6以后开始，就使用CFS作为进程的调度器。在CFS之前， 使用的是O(1)和O(n)调度算法。这两种算法，基本思路都是通过一系列运行指标确定进程优先级，根据进程优先级进行调度。而CFS，它不计算优先级，而是通过计算进程消耗的CPU时间(标准化以后的虚拟CPU时间)来确定谁来调度，从而达到公平性。
绝对公平性
cfs定义了一种新的模型，其基本思路很简单，他把CPU当做一种资源，并记录下每一个进程对改资源的使用情况，在调度时，调度器总是选择消耗资源最少的进程来原型。这就是所谓的"完全公平",但这种绝对的公平有时也是一种不公平，因为有些进程的工作比其他进程更重要，所以需要权重来分配CPU资源。
相对公平性
为了区别不同优先级的进程，就是会根据各个进程的权重分配运行时间。 分配给进程的运行时间 = 调度周期 * 进程权重 / 所有进程权重之和
针对Linux中的进程调度后续进行补充...
