调度 (计算机)

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调度在计算机中是分配工作所需资源的方法。资源可以指虚拟的计算资源,如线程进程数据流;也可以指硬件资源,如处理器、网络连接或扩展卡

进行调度工作的程序叫做调度器。调度器通常的实现使得所有计算资源都处于忙碌状态(在负载均衡中),允许多位用户有效地同时共享系统资源,或达到指定的服务质量。调度是计算自身的基础,同时也是编程语言计算模型固有的部分。调度器使得在单处理器上通过多任务处理,从而让执行多个进程成为可能。

调度器可能会针对不同的目标设计,例如:吞吐率最大化、响应时间最小化、最低延迟[1]、或最大化公平。在实践中,这些目标通常是互相冲突的,因此,调度器会实现一个权衡利弊的折中方案,而侧重点则可能是前文提到的任何一种,这取决于用户的需求和目的。

在实时环境,例如工业上用于自动控制(如机器人)的嵌入式系统,调度器必须保证进程的调度不能超过最后期限 —— 这是保持系统稳定运行的关键因素。调度也可能是通过一个管理性的后端进行,而任务是通过网络发配到若干远程设备上的。

操作系统调度器的种类[编辑]

调度器是操作系统的一个模块,它能够选择将被系统处理的下一个任务,或执行的下一个进程。操作系统可能会提供三种不同类型的调度器:长期调度器、中期调度器和短期调度器。这些名字表明了任务被执行的频率。

进程调度器[编辑]

进程调度器是操作系统的一部分,决定了何时运行什么进程。它通常能够暂停一个运行中的进程,将它放回到运行队列当中,并运行一个新进程,我们把这样的调度器叫做抢占调度器。否则,它就是协同调度器。

长期调度器[编辑]

长期调度器,决定了任务或进程是否会被就绪队列(内存中)所接纳。当一个运行程序的尝试被做出后,长期调度器或允许,或是延迟将它作为当前执行的一个进程。因此,这种调度器掌控着能在系统上运行的进程。调度器同时还决定并发的程度:同时执行程序的多少,在I/O密集型和CPU密集型进程之前做出划分。

通常,大多数进程可以分为I/O密集型[2]和CPU密集型。I/O密集型程序将大多数时间都花在了I/O操作而不是运算上,而CPU密集型程序正好相反,将大多数时间花在了运算上,而很少产生I/O操作。选出一个I/O密集型和CPU密集型程序的良好组合,对于长期调度器是非常重要的。否则,假如所有的程序都是CPU密集型的,那么I/O队列将会几乎永远都是空的,这样就会导致一些设备从来没被人用过,系统资源分配就是不均衡的。显然,性能极佳的系统必然是CPU密集型和I/O密集型程序的组合。在现代操作系统中,这被用来保证实时进程能获得足够的CPU时间来完成任务。[3]

长期调度对大型系统,例如批处理系统、计算机集群、超级计算机和渲染场来说同样重要。例如,在并发系统中,为了避免交互的多个进程,把时间都花在等待对方而产生阻塞,通常是需要进行协同调度的。在这种情况下,处理操作系统底层的调度器之外,还需要符合要求的额外调度程序来实现必要的功能。

中期调度器[编辑]

中期调度器临时将进程从内存中去除,放入第二储存设备(如硬盘)中,或亦而反之。这通常被称为“换出”和“换入”(同时也被错误叫做“分页入”和“分页出”)。中期调度器可能会将那些一直不活跃的进程,优先级低的进程,频繁产生页错误的进程,或者占用大量内存的进程放入交换区,为其它程序释放内存。当系统内存充足时,或者程序不再处于阻塞状态时,调度器又会将刚刚被放入交换区中的进程重新放入内存中。

短期调度器[编辑]

短期调度器(也就是CPU调度器)决定了在一个时钟中断、I/O中断、系统调用其它种类的信号之后,应该执行(分配CPU)给哪些内存中的进程。可见,短期调度器作出决定的频率比长期或中期调度器更加频繁 —— 每隔一段非常短的固定时间,调度器就将做出一次决定。这种调度器可以是抢占式的,能够强行把一个在CPU运行中的程序中断,然后分配给其它进程;也可以是非抢占式的,这类调度器无法强行把进程从CPU上中断。

抢占式调度器的功能需要一个运行在内核态,能被中断处理程序捕获的可编程定时器才能实现。

调度规则[编辑]

调度规则就是在同时占用资源的多方之间进行资源分配的算法。在路由器操作系统硬盘打印机,大多数嵌入式系统等设备中,都能看到调度规则的应用。

调度算法的主要目标,是使资源饥饿最小化,并保证使用资源多方的公平性。调度器需要处理在大量请求下如何分配资源的难题。调度算法种类很多,在这一章,将会介绍几种常见算法。

包交换的计算机网络和其它统计多路复用领域,需要一个合适的调度算法而不是一个先到先得的数据包队列。

参考来源[编辑]

  1. ^ Remzi H. Arpaci-Dusseau; Andrea C. Arpaci-Dusseau. Chapter 7: Scheduling: Introduction, Section 7.6: A New Metric: Response Time. Operating Systems: Three Easy Pieces (PDF). January 4, 2015: 6 [February 2, 2015]. 
  2. ^ Priya Ranjan. I/O-Bound. [2014-08-09]. 
  3. ^ Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin and Greg Gagne. Operating System Concepts 9. John Wiley & Sons,Inc. 2013. ISBN 978-1-118-06333-0.