进程调度

进程调度指在合适的时候以一定策略选择一个就绪进程的运行

• 进程调度的目标
  1.响应速度尽可能快
  2.进程处理的时间尽可能短
  3.系统吞吐量尽可能大
  4.资源利用率尽可能高
  5.对所有进程要公平
  6.避免饥饿
  7.避免死锁
  上述部分原则之间存在自相矛盾，入1和2， 1和3，2和5，因此针对特定使用环境选择一些目标，忽略其他目标。

• 可量化的目标：周转时间/平均周转时间、带权周转时间/平均带权周转时间
  周转时间，指进程提交给计算机到最终完成所花费的时间，说明进程在系统中停留时间的长短。
  单个进程的周转时间无法体现操作系统进程调度效率，而要使用平均值。平均周转时间越短，表明系统吞吐量越大，资源利用率也越高
  由于进程大小和周转时间相关，采用带权周转时间（周转时间与进程运行时间比值），表明进程在系统相对停留时间。同样，存在带权周转时间也存在平均值。

• 典型调度算法

算法	策略	特点
先来先服务调度（First Come First Serve，FCFS）	按照作业进入系统的时间先后来挑选作业，先入系统的作业优先被运行	容易实现，效率不高，只考虑作业等候时间，而没考虑运行时间的长短，不利于短作业
短作业优先调度（Short Job First）	参考运行时间，选取运行时间最短的作业投入运行	易于实现，效率不高，忽略了作业等待时间，易出现饥饿现象
响应比高者优先调度	计算每个作业的响应比，选择响应比最高的作业优先投入运行	有利于短作业和等候长的作业，长作业可通过等待足够久的时候后获得CPU
优先数调度	根据进程优先数，把CPU分配给优先数最高的进程	兼顾多方效益
循环轮转调度（Round-Robin）	把所有就绪进程按先进先出的原则排成队列，新来进程加入队列末尾，以时间片为单位轮流使用CPU，构成环形队列	公平，每个就绪进程有平等机会获得CPU；交互，每个进程等待N-1个时间片就可重新获得CPU。

循环轮转调度

• 响应比是作业响应时间与运行时间的比值，响应比=1+等待时间/运行时间。

• 进程优先数=静态优先数+动态优先数
  静态优先数，在整个进程运行期间不再改变。进程创建时，根据所需资源，程序运行时间，进程类型等确定
  动态优先数，在进程运行期间根据CPU使用时长，I/O操作，进程等待时长等进行改变。

• 循环轮转调度的时间片很大，交互性变差，算法可退化为FCFS；时间片太小，进程切换频繁，系统开销增加。可使用可变时间片，或组织多个就绪队列进行改善。

• Linux进程调度
  普通进程，采用动态优先级来调度，调度程序周期性地修改优先级，避免饥饿
  实时进程，采用静态优先级来调度，由用户预先指定，以后不会改变，实时进程的子进程也是实时进程

• task_struct
  包含policy（调度策略）、priority（进程静态优先级）、rt_priority（实时进程特有优先级）、counter（进程能连续运行时间）

• policy指明进程调度策略，0号策略给普通分时进程，1和2号策略给实时进程。
  SCHED_OTHER（0号，动态优先级）
  成员counter表示动态优先级
  调用sched_setscheduler改变调度策略
  SCHED_FIFO（1号，先进先出）
  当前实时进程一直占有CPU直到退出或阻塞或被抢占
  阻塞再就绪时被添加到同优先级队列的末尾
  SCHED_RR（2号，时间片轮转）
  与其他实时进程以时间片轮转方式共同使用CPU
  确保同优先级的多个进程能共享CPU

• counter
  进程能连续运行的时间，单位是时间滴答tick（10ms）
  较高优先级的counter较大
  counter可看作动态优先级
  初值为priority，运行一个tick时，counter减1，直到0被阻塞。
  子进程新建的counter只从父进程counter中继承一半，防止用户无限制地创建后代进程而长期占有CPU资源。

• 调度时机
  1.中断处理过程中直接调用schedule，时间中断、I/O中断、系统调用和异常，内核被动调用的情形
  2.中断处理过程返回用户态时直接调用schedule，必须根据need_resched标记
  3.内核线程可直接调用schedule，内核主动调用的情形
  4.用户进程只能通过陷入内核后在中断处理过程中被动调度，必须根据need_resched标记

• 进程切换
  内核挂起当前CPU上的进程并恢复之前挂起的某个进程
  任务切换和上下文切换，区别于和中断上下文切换（同个进程）
  包含用户地址空间，控制信息，硬件上下文等信息

• 进程调度和切换流程
  采用schedule函数实现
  选择新进程next=pick_next_task（进程调度算法）
  调用宏context_switch（内部调用switch_to）切换进程上下文