调度策略

调度策略的目标

• 确定如何从就绪队列中选择下一个执行的计算
• 在有限的计算资源条件下达到尽可能好的效果(如何定义好)

调度策略要解决的问题

• 挑选队列中的哪一个目标
• 通过什么样的准则来挑选

调度算法的比较准则

• 如何确定最优的调度算法

1. 使用率，CPU处于忙状态的百分比
2. 吞吐量，单位时间完成的任务数
3. 周转时间，单个任务从开始到结束(包括等待)的总时间
4. 等待时间，单个任务处于等待状态的总时间
5. 响应时间，从任务请求到产生响应的时间

调度算法的要求

• 希望更快的服务
• 什么是更快
  1. 传输文件时的高带宽，要求高吞吐量，类比装满蓄水池
     • 减少开销(调度系统的开销，上下文切换等)
     • 系统资源的高效利用(操作系统CPU、I/O设备，网页中的网络I/O，worker等)
  2. 玩游戏时的低延迟，要求低响应时间，类比洗手间水龙头出水。如果网页长时间执行计算无响应，用户很可能会F5，之前的计算都是无意义的
     • 减少响应时间，及时处理用户输入并反馈结果
     • 减少响应时间的波动，在交互系统中，可预测性比高差异的低平均更重要，最慢的那一个才是用户体验瓶颈
  3. 减少任务等待时间
     • 有利于提高吞吐量并降低延迟
  4. 吞吐量不受用户交互的影响
     • 即使有大量的用户交互，也应当正常进行调度
• 希望保证公平性
  • 什么是公平
    1. 每个任务占用相同的时间
    2. 每个任务的等待时间相同
  • 公平会通常会增加响应时间

调度算法-先来先服务算法(FCFS)

• 根据任务在队列中的先后顺序执行

• 优点:简单
• 缺点
  1. 等待时间波动较大(短任务排在长任务后面)
  2. 资源利用率低(计算密集型任务导致I/O空闲，I/O密集型任务导致计算资源空闲)
  3. 不公平

调度算法-短进程优先算法

• 考虑任务执行时间的特征，优先选择(预期)执行时间最短的任务
• 优点: 最短平均周转时间(平均每个任务从开始到结束所花的时间)
• ri表示第i个任务从开始到结束需要的时间(包括等待时间)，ci表示第i个任务执行所花的时间(不包括等待时间)，假设第i个任务需要花费i的时间

• 缺点
  1. 可能导致饥饿，连续的短任务会导致长任务的饥饿
  2. 不公平
  3. 如何预测执行时间

     • 最简单：问用户

     • 用历史信息预测未来(下一次的预测时间根据上一次的实际时间和预测时间计算)

调度算法-短进程优先改进-最高响应比优先

• 基于短进程优先，加入等待优先级 R = (W+S)/S ，W：等待时间，S：执行时间
• 等待越久，优先级越高，防止无限期等待

调度算法-时间片轮转(RR)

• 将执行时间分成小段，轮流处理任务

• 额外的切换上下文开销
• 如何分配每个时间片的长度
  1. 考虑时间片极大的情况：退化为先来先服务
  2. 考虑时间片极小的情况：反应迅速，但产生大量的切换开销
  3. 根据经验取合适的值，比如10ms(1%开销)
• 特点：稳定，波动小，平均等待时间较差但交互性好

调度算法-多级队列(MQ)

• 任务队列被分为多个独立的子队列，如交互相关(前台队列)，计算和网络相关(后台队列)
• 每个队列使用单独的调度策略，如前台使用时间片轮转(RR)，后台用先来先服务(FCFS)
• 队列之间的调度使用时间片轮转，如80%用于前台队列，20%用于后台队列

调度算法-多级反馈队列(MQ)

• 按照优先级分为n个队列，任务可以在多个队列间移动
• 如果任务在第i个队列没有执行完，则移动到i+1个队列
• 第n个队列分配2^N个时间片，第1个队列优先度最高

• 特点：
  1. CPU密集型任务(执行时间长)会很快降级并分配较多的计算资源
  2. I/O密集型任务(执行时间短)会停留在高优先级，保证低延迟

调度算法-公平共享调度

• 按照用户组分配优先级，保证重要用户的优先级
• 省略

调度算法-多处理机调度

• 优先级、同步互斥、信号量、死锁。。。省略