概述

多道程式作業系統的基礎。通過在程序之間切換CPU，作業系統可以提高計算機的吞吐率。
對於單處理器系統，每次只允許一個程序執行：任何其他程序必須等待，直到CPU空閒能被排程為止。

CPU按一定的排程演算法從就緒佇列中選擇一個程序，把CPU的使用權交給被選中的程序，如果沒有就緒程序，系統會安排一個系統空閒程序或系統空閒程序。

排程觸發事件：

• 建立、喚醒、退出等程序控制操作
• 程序等待I/O，I/O中斷
• 時鐘中斷（時間片用完，計時器到時）
• 出現abort異常

排程過程

同時把多個程序匯入記憶體，在記憶體中等待的就緒佇列的節點是PCB，使得一個程序在CPU中執行I/O時，一個程序用來填補CPU的時間。 通常程序都是在CPU區間和I/O區間之間轉換。

CPU排程程式稱為短期排程程式，從記憶體排程到CPU。

搶佔排程和非搶佔排程(協作)：前者為一個程序還沒結束之前就被奪取CPU的擁有權，而後者則要一個程序結束或等待I/O才給予其他程序CPU的擁有權。

雖然現代作業系統都是用搶佔排程，但是對於同時訪問一個數據來說就會有風險，比如一個程序在試圖更新一個數據，但是另一個程序搶佔，並且讀取這個資料，使得資料不一致。程序同步可以使資料得到安全的訪問。

排程準則：

• CPU使用率。
• 吞吐量：單位時間完成程序的數量。
• 週轉時間：程序提交到程序完成。即從磁碟等待進入記憶體+就緒佇列等待時間+CPU執行時間+I/O執行時間。但是CPU排程演算法只是裡面的一塊。
• 等待時間：在就緒佇列等待的時間之和。
• 響應時間：用於互動系統。

具體步驟：

• 儲存程序A的上下文環境（程式計數器，程式狀態字，其他暫存器）
• 更新A的PCB（新狀態和其他資訊）
• 把程序A移至合適佇列（就緒，阻塞，…）
• 把程序B的狀態設定為執行態
• 從程序B的PCB中恢復上下文（程式計數器，程式狀態字，其他暫存器）

上下文切換的開銷：

• 儲存和恢復暫存器
• 切換地址空間（相關指令可能比較昂貴）
• 快取和緩衝失效（快取記憶體，緩衝區快取，TLB）

排程演算法

各種排程演算法：

多處理器排程：

• 需要決定在哪一個CPU上執行
• 要考慮程序在多個CPU之間遷移的開銷（快取記憶體失效，TLB失效），儘可能使CPU總在同一個程序上執行

• 要考慮負載均衡問題

  1. FCFS 先到先服務
     一旦選定程序，那麼在結束之前就不能再切換到另一個程序。
  2. SJF 最短優先 精確的講是最短下一個CPU區間的演算法
     前面提到，一個程序是由CPU區間和I/O區間交替組成的。而SJF是看哪個程序的CPU區間最短。
• SRTF搶佔式：又稱最短剩餘優先，當新進來的程序的CPU區間比當前執行的程序所剩的CPU區間短，則搶佔。
• 非搶佔：稱為下一個最短優先，因為在就緒佇列中選擇最短CPU區間的程序放在隊頭。
  SJF用於長期排程而不能用短期排程，因為程序是一個整體，CPU沒法知道程序中第一個CPU區間長度。
  SJF需要確定下一個CPU區間的時間長度，可以通過近似估算出下一個CPU區間的長度，比如tn+1=atn+(1-a)rn tn為最近最近一次的CPU時間，rn為歷史記錄。a是給定的權重。
  
  1. 優先順序排程演算法 pintos的優先順序是0-63 0為最低優先順序，63為最高優先順序
     SJF是特殊的優先順序排程演算法，以CPU區間長度的倒數為優先順序。
     （1）內部優先順序：通過內部資料比如記憶體要求等。
     （2）外部優先順序：使用者自己設定。set_priority
     分為搶佔式和非搶佔式，前者為如果進來的程序優先順序高於執行的程序，則替換；後者只是在就緒佇列中按優先順序排隊。
     缺點：無線阻塞或飢餓。前者為一個優先順序高且執行時間長的程序一直阻塞，後者為優先順序低的程序永遠都得不到執行。
     解決飢餓的方法是老化。通過每個時間間隔後將等待的程序優先順序降低。
  2. 轉輪法 RR演算法 搶佔式
     用於分時系統。每個程序都佔用一個時間片的時間。就緒佇列為FIFO迴圈佇列。如果一個程序的CPU區間長度小於時間片，則繼續下面的程序；如果大於時間片，則中斷切換到下一個程序執行。
     通常時間片長度為10ms-100ms，由此需要確定時間片大小使得上下文切換次數適當少。
  3. 多級佇列排程
     根據某種性質將一個就緒佇列分成不同的獨立佇列，如系統程序，互動程序（前臺程序），互動編輯程序，批處理程序，學生程序。
     每個佇列都有不同的排程演算法。
     每個佇列都有優先順序，比如前臺佇列就比後臺佇列要有絕對的優先順序，因此佇列間的分配方法：
• 只有優先順序高的佇列為空，才能執行低優先順序佇列。
• 為佇列分配不同權重的CPU時間，優先順序高的分配時間多。

CPU排程例子

1. 多級反饋佇列排程演算法（BSD 5.3）

   • 設定多個就緒佇列，第一級佇列優先順序最高
   • 給不同就緒佇列中的程序分配不同長度的時間片，隨著優先順序的降低逐漸增大
   • 當第一級佇列為空時，在第二級佇列排程，以此類推
   • 各級佇列按照時間片輪轉方式進行排程
   • 當一個新建立程序就緒後，進入第一級佇列
   • 如果程序因為用完時間片而放棄CPU，則進入下一級就緒佇列
   • 如果程序因為阻塞而放棄CPU，則進入相應的等待佇列，等待事件發生後，該程序回到原來一級就緒佇列末尾（或隊首）
   • 若允許搶佔，被搶佔程序回到原來一級就緒佇列末尾（或隊首）

2. 基於優先順序的搶佔式多工排程（Windows）

   • 排程單位是執行緒
   • 採用基於優先順序的搶佔式排程，結合時間配額的調整
   • 就緒執行緒按優先順序進入相應佇列
   • 系統總是選擇優先順序最高的就緒執行緒執行
   • 同一優先順序的各執行緒按時間片輪轉進行排程
   • 多CPU系統中允許多個執行緒並行執行

參考資料

《作業系統概念》 第七版