操作系统笔记-4-进程&线程调度

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引言

当我们在平时工作或学习中用电脑的时候，我想很多人都是一边听着音乐一边写代码、看文档、编辑Markdown写笔记或者Chrome看着网页，不知道你有没有好奇电脑为什么可以可以同时完成这些程序的运行，并且如果你细心可能发现了有时候程序的响应快，有时候响应慢。这些都是因为进程&线程调度的结果，哪怕你的电脑处理器只有一核，可同时同时执行多个应用程序。

为何需要调度

并不是所有的程序都是cpu密集型的，也有I/O密集型，如下图，a是cpu密集型任务，它有很长的cpu周期，而b则持有cpu的时间短但是却很频繁。如果你是系统的设计者你会让程序如果运行呢？如果每次都先执行完a再执行b，那么磁盘可能长期处于空闲状态，这里有一个简单的想法是，优先保证b进程执行，这样磁盘就可以长期保持忙碌的状态。所以，进程调度的目的一方面是让程序并发执行，一方面是为保持系统各个组件处于忙碌状态避免资源浪费。

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下面的笔记是探索进程&线程调度的笔记，一步步揭开处理器调度神秘的面纱。本文的结果，先介绍一些调度的基本概念方便理解后边的内容，然后会介绍调度算法（以单核和进程为视角介绍，线程和进程差不多的），之后会介绍线程调度的特有特征，然后介绍多核心环境下调度，最后可能会简单的举个例子介绍实际OS采用的是什么调度策略。

基本概念

调度器

调度器是操作系统实现的，通过一定的算法从一堆就绪线程中选择一个，然后完成上下文切换，然后执行新调度线程的代码的一个线程，注意调度器也是一个线程，它是一个高优先级的内核线程。

抢占式与非抢占式
  • 非抢占式：挑选一个进程一直运行，直到进程阻塞（I/O或等待其他线程）或者自愿让出cpu
  • 抢占式：挑选一个进程执行固定的时间，当进程用完最大时间还在执行时会被挂起，然后切换另一个就绪的进程，并且当一个比当前运行进程更高优先级进程到达时，可以抢占当前进程的cpu
何时调度
  • 在创建新进程后，需要决策时运行父进程还是子进程
  • 在一个进程退出时
  • 当一个进程被阻塞在I/O、信号量或者其他原因阻塞时，必须选择另一个进程运行
  • 在一个I/O中断时
调度环境
  • 批处理：适合非抢占式算法，减少进程切换
  • 交互式：抢占是必须的，不能让一个进程一直霸占CPU
  • 实时：对deadline要求严格
调度算法的目标
  • 公平：相似的进程应得到相应的服务
  • 策略强制执行
  • 平衡：保持系统各个部分尽可能忙碌
  • 批处理三个指标
    • 吞吐量：最大化每小时运行工作数
    • 周转时间：任务提交到运行结束的平均统计时间，时间越小越好
    • CPU利用率：保持cpu在所有时间内忙绿
  • 交互式系统指标
    • 响应时间：快速响应用户请求
    • 均衡：满足用户期望
  • 实时系统
    • 满足截止时间：避免错过数据
    • 可预测性：避免在多媒体系统中品质降低

批处理系统调度算法

Frist-Come Frist-Served(FCFS)
  • 原理：顾名思义，就是先到的进程先调度，假设进程到达的顺序是p1->p2->p3

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p2等待时间是24ms，p3等待时间是27ms，所以平均等待时间17ms，现在假设进程到达的顺序是p2->p3->p1那么如下图，平均等待时间是3ms

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  • 缺点
    1. 平均等待时间长
    2. 不能很好平衡CPU和I/O的利用率， 如果遇到计算密集型任务（会长期霸占cpu），可能导致I/O空闲
最短作业优先(SJF)

  • 原理：每次调度都选择下一次执行时间最短的作业执行，假设4个进程的需要的cpu突发时间如下图

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    都是就绪状态那么调度顺序将如下图

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    平均等待时间为7ms，如果用FCFS算法，平均等待时间可能为10.25ms

  • 缺点

    1. 只有在进程可以同时就绪时，SJF才是最优的

    2. 无法获得下一次进程的cpu突发时间，可以利用一种指数平均方法来估计下一次cpu突发时间

      $\tau_{n+1}$代表第n+1次的预测值，$t_n$代表第n次实际时间，$\alpha$代表历史实际突发时间权重，$0 \le \alpha \le 1$，通常取$\frac{1}{2}$

最短剩余时间优先

  • 原理：基本思想和SJF相同，但是多了一点，最短剩余时间优先是可以抢占的，假设进程的到达时间和cpu突发时间如下图

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    实际调度顺序

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    p1最先到达，但是p2在p1执行1时到达，因为p2的cpu突发时间比p1剩余的cpu突发时间更短，因此p2抢占p1的进程。平均等待时间是$[(10 − 1) + (1 − 1) + (17 − 2) + (5 − 3)]/4 = 26/4 = 6.5$。

交互式系统调度算法

轮转调度(Round-Robin Scheduling RR)

  • 原理：类似FCFS算法，添加了抢占和时间片概念。为每一个进程分配一个时间片运行，在时间片结束前阻塞或结束，则CPU立即进行切换，或者进程用完分配的时间片，进程被挂起，切换就绪队列的头运行。时间片长度一般从10-100ms。就绪队列可以看成是一个循环队列，每个用完时间片的进程又加入到队列尾部，结果如下图

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  • 一个简单的例子，假设进程cpu突发时间为10，下图是时间片为1,6,12时，上下文切换的次数，可以看出时间片越短，上下文切换次数越多

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  • 缺点

    1. 时间片太长，RR算法可能会退化成FCFS

    2. 时间片太短，如上图，上下文切换的次数将增加，进程周转时间越大。

      $浪费时间 = 上下文切换时间 / 时间片$

优先级调度(Priority Scheduling)

  • 原理：每个进程都被分配了一个优先级，cpu将会被分配给高优先级的进程，同等优先级的进程采用FCFS算法调度

    1. 可抢占优先级调度：当一个新的进程到达且优先级比当前cpu执行的进程高时，新进程可以抢占当前进程的cpu
    2. 非可抢占优先级调度：当一个新的进程到达且优先级比当前cpu执行的进程高时，只是简单的将新进程加入队列的头部

  • 一个简单例子，假设一个p1,p2…p5集合在时间0到达，cpu突发时间和优先级如下

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    它们的调度顺序如下图

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  • 缺点：饥饿，低优先级的进程可能无限期的等待，或者高优先级的进程一直霸占CPU，有几种解决方法

    1. 对于低优先级进程可以引入老化，定期提升一直未获得cpu的低优先级进程的优先级。比如假设优先级范围为0-127，定时时间为1s，一个最低优先级127的进程，只需要2min左右的时间就可以提升0

    2. 结合轮转调度，同一优先级的进程会采用轮转调度，比如

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      它们的调度顺序会是这样

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多级队列调度

  • 原理：按不同进程的特征，划分为不同的类别，然后不同类别的进程有不同的优先级，有独立的调度队列，采用不同的调度算法，比如

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    举个例子，首先实时任务的优先级最高，因为实时任务有deadline要求，其次是系统任务，然后是交互式任务，最低优先级为批处理。每个优先级有自己的调度算法，比如交互式任务可以用RR调度，而批处理任务可以用FCFS调度

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多级反馈队列调度

  • 原理：多级反馈队列调度同样是对于不同优先级的进程有多个队列，进程在队列之间是可以移动的，它的核心思想是CPU密集的进程会逐渐移动到低优先级队列，而I/O密集和交互式进程可以在高优先级队列保持低延迟响应。为了防止饥饿，长时间等待的低优先级进程可以升级到高优先级队列。每级队列可以采用独立的调度算法。

  • 简单举个例子，如下图，有三级队列，每个新来的进程会进入0级队列，假设此时有1级队列的进程正在执行，则会被新进程抢占cpu。0、1级队列都采用RR调度算法，2级采用FCFS调度算法，当0级的进程时间片用完后将降级加入1级队列

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  • 多级反馈队列调度关键参数

    1. 队列数
    2. 每级队列的调度算法
    3. 决策提升优先级的方法
    4. 决策降低优先级的方法
    5. 决策进程进入哪级队列的方法

实时系统调度算法

实时系统和批处理和交互式系统不同，这里先列出一些实时系统的基本概念

基本概念

  • 实时系统分类

    1. 软实时系统：虽然也有时限要求，但是并不保证在deadline执行，错过时限也不会导致严重的后果
    2. 硬实时系统：硬实时系统，严格的时限要求，任务必须在deadline执行，错过了deadline意味着严重的后果

  • 最小延迟

    1. 事件延迟，从事件的发生到事件响应的事件

      • 中断延迟：cpu收到中断时，要做两件事，第一检查中断类型，第二上下文切换保存当前正在执行线程的状态，这段时间就是中断延迟。有一个重要因素是当内核数据结构更新时是禁止响应中断的，因此实时系统要求禁止响应中断的时间非常短

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      • 分派延迟

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        • conflicts阶段

          1. 抢占正在运行的进程

          2. 低优先级进程释放高优先级进程需要的资源

        • dispatch阶段：调度高优先级进程到可用的cpu

基于优先级的调度
  • 原理：给实时任务分批较高的优先级
  • 缺点：基于优先级的抢占式调度算法只能保证软实时
Rate-Monotonic Scheduling(RMS)

  • 基本假设

    1. 假设调度周期性任务
    2. 假设每个任务进入系统会被分配一个固定优先级，周期越短优先级越高，周期越长优先级越低
    3. 假设任务的deadline是下一次执行前

  • 实际例子分析

    1. 假设第一个进程P1周期为50，cpu时间为20，第二个进程P2周期为100，cpu时间为35

      1. 计算cpu利用率

        ​ $U_{cpu} = 20/50 + 35/100 = 0.75$

      2. 假设p2先运行，那么p1就无法在deadline50完成

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      3. 假设p1先运行

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    2. 假设第一个进程P1周期为50，cpu时间为25，第二个进程P2周期80，cpu时间为35

      1. 计算cpu利用率，cpu利用率96%感觉可以运行，接下来分析一下调度

        ​ $U_{cpu} = 25/50 + 35/80 = 0.96$

      2. 无论如何调度，都无法满足

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  • 结论：不能利用cpu最大利用率来确定是否能成功调度，应该取调度N个进程时最差的cpu利用率，当需要调度的任务cpu利用率超过该值时，无法调度，由此可见，RMS调度算法cpu利用率较低。N个进程最差的cpu利用率计算公式: $U_{worstN} = N(2^{\frac{1}{N}}-1)$

Earliest-Deadline-First Scheduling(EDF)

  • 原理：根据任务的deadline动态调整进程的优先级。理论上是最优的算法，既能保证进程满足deadline又能保证cpu有很好的利用率

  • 举个简单的例子，假设第一个进程P1周期为50，cpu时间为25，第二个进程P2周期80，cpu时间为35

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  • 和RMS比较

    1. 不需要任务是周期性任务
    2. 不需要任务cpu执行时间是常数
Proportional Share Scheduling(PSS)
  • 原理：按比例分享cpu时间，admission-control会接收一个请求如果有足够的比例份额，否则会拒绝请求，假设A需要50、B需要20、C需要15，当新来的D需要30，则会被拒绝

线程调度

上面所有算法都是以进程为调度目标是为了简化，线程调度算法和进程的是一样的，其实现代操作系统调度的都是内核线程。下面是上边没有介绍到的线程调度的区别

竞争范围
  1. PCS：进程竞争范围，在many-to-one和many-to-many线程模型中，用户级线程调度器调度用户线程运行在一个可用的LWP上，当用户线程获得可用LWP并不意味着该线程正运行在cpu上，还要取决于LWP的内核线程是否被调度获得物理CPU
  2. SCS：系统竞争范围，所有内核线程竞争cpu

多处理器调度

多处理器的种类
  • 多核心
  • 多线程内核(Intel的超线程)
  • NUMA系统
  • 异构多核处理器(ARM，多为移动设备芯片)
非对称多处理器
  • 所有的调度、i/o和其他系统活动处理都在同一个处理器上（master），其他处理器负责执行用户代码。
  • 优点，只有master处理器访问系统数据，减少数据共享
  • 致命缺点：master处理器成为瓶颈
对称多处理器(SMP)

  • 所有处理器自调度

  • 调度队列

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    1. a共用一个队列，导致的问题是queue的竞态问题，需要同步操作，否则可能两个core取了同一个thread，那么queue的锁成了性能的瓶颈
    2. b最通用的方法，解决了通用queue锁的瓶颈问题，而且可以有效利用缓存。有一个问题是工作量均衡问题，可用通过一个平衡算法来均衡各个处理器的工作量
多核心处理器memory stall问题

  • 当处理器执行代码需要访问主存时，因为访问主存很慢，导致会浪费很多cpu周期

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  • 解决办法：芯片多线程技术(CMT)，例如Intel的超线程，也就是我们平时总看到的i5双核四线程，就是每个核心有两个hardware thread

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    CMT处理器的结构，hardware thread共享物理芯片资源，比如缓存和流水线

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    CMT实现

    1. 粗粒度：发生高延迟时切换hardware thread，上下文切换需要刷新指令流水线，因此开销高
    2. 细粒度：在更细的级别上，比如在指令周期的边界

    实际两级调度

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    1. 简单轮转调度算法：Ultra SPARC
    2. urgency优先级，每次切换时比较哪个优先级更高：Intel Itanium
负载均衡
  • Push migration:一个特殊任务定期检查，如果检查到不平衡，就会将线程从高负载的cpu移到空闲或低负载的cpu
  • Pull migration：当cpu空闲时会主动从高负载的cpu拉去任务
  • 负载均衡会导致一个问题，当一个已经执行过的线程因为负载均衡被迁移到其他cpu时，其缓存将失效，需要的数据需要重新从主存加载
处理器亲和

  • 定义：处理器亲和指的是一个线程在一个处理器上运行，当处理器再次调度它时，有缓存的优势，如果它再次执行的时候被迁移到其他cpu执行，那么之前cpu的缓存将失效，并且当前cpu需要重新从主存中加载缓存,因此处理器亲和的优势可能会被负载均衡抵消

  • 软亲和：系统试图保证现在在同一个cpu上调度，但是不能保证

  • 硬亲和：系统提供了系统调用使进程可以指定一个cpu子集供进程的线程运行

  • 处理器亲和在NUMA系统中非常重要，因为每个cpu芯片有自己本地主存，访问远程主存是很慢的

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案例：Linux调度

分类调度

  • 默认的完全公平调度(CFS)（内核2.6.23）

    • 两个概念

      1. nice value：范围-20～+19，用来映射优先级，值越小优先级越高
      2. virtual run time：虚拟运行时间，当nice value为0，该时间为物理运行时间；当nice value越大，说明优先级越低，cpu时间比例越小，那么该时间大于真实运行时间；反之优先级越高，cpu时间比例越高，该时间小于真实运行时间

    • 不采用固定时间片，而是采用比例，这个比例取决于nice value，值越小优先级越高，权重越高，调度周期内获得cpu时间比例越高，也就是连续执行的时间替代时间片

    • 调度： 选择虚拟运行时间最小的调度，因此nice value越小，优先级越高，得到调度的机会越多，就绪队列实现是利用red-black Tree，当一个任务变成不可运行（例如阻塞）会从树中删除

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  • 实时调度

    • Linux分了两个独立的优先级范围分别给实时任务（0-99）和普通任务（100-139，映射nice value-20~100,19~139）
负载均衡
  • 在NUMA架构中，采用分层调度域（一个cpu核心集合），负载均衡不会迁移线程到其他域，防止线程远程访问主存