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排程 – 行程的執行順序安排問題

排程 – 行程的執行順序安排問題. 排程. 背景知識 有了行程切換的概念，就可以介紹排程了。 排程的主要問題 很多個程式在記憶體當中，下一個應該誰來執行呢？ 如何排程是影響作業系統效能最重要的因素。 排程的目的就是將 CPU 資源作更有效的利用。. 排程的背景知識. 背景知識一： 內 文切換的方法與意義 背景知識二： CPU 暴衝與 IO 暴衝 背景知識三： 排程佇列的概念. 背景知識一 : 內文切換. 通常用組合語言撰寫 用來將暫存器、檔案資源等儲存的函數 該函數稱為內文切換函數. 背景知識二： CPU 與 IO 暴衝.

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排程 – 行程的執行順序安排問題

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  1. 排程 – 行程的執行順序安排問題

  2. 排程 • 背景知識 • 有了行程切換的概念，就可以介紹排程了。 • 排程的主要問題 • 很多個程式在記憶體當中，下一個應該誰來執行呢？ • 如何排程是影響作業系統效能最重要的因素。 • 排程的目的就是將 CPU 資源作更有效的利用。 2

  3. 排程的背景知識 • 背景知識一： • 內文切換的方法與意義 • 背景知識二： • CPU 暴衝與 IO 暴衝 • 背景知識三： • 排程佇列的概念 3

  4. 背景知識一:內文切換 • 通常用組合語言撰寫 • 用來將暫存器、檔案資源等儲存的函數 • 該函數稱為內文切換函數 4

  5. 背景知識二：CPU 與 IO 暴衝 • 行程一開始都是 CPU 暴衝，接著是 I/O 暴衝，然後再回到 CPU 暴衝和 I/O 暴衝。在正常的狀況下，行程就在這兩個狀態間一直循環，最後以 CPU 暴衝作為結束。 5

  6. CPU 暴衝與 I/O 暴衝 - 圖示 load store add store read from file CPU暴衝 等待 I/O I/O暴衝 store increment index write to file CPU暴衝 等待 I/O I/O暴衝 load store add store read from file CPU暴衝 … 6

  7. CPU 暴衝時間統計示意圖 160 140 120 頻率 100 80 60 40 20 0 8 16 24 32 40 暴衝時間（毫秒） 7

  8. 背景知識三：排程佇列 • 一個行程在執行期間會在各種不同的佇列中進出。 • 一個系統中通常有 • 工作佇列 • 就緒佇列 • 等待佇列 • 裝置佇列 8

  9. PCB7 PCB2 head head head 就緒佇列 PCB5 PCB1 tail tail tail 暫存器 … 暫存器 … 暫存器 … 暫存器 … 暫存器 … 磁碟1 佇列 PCB9 磁碟2 佇列 就緒佇列與裝置佇列 9

  10. next_task prev_task prev_task next_task prev_task next_task init_task Linux 行程串列的資料結構 10

  11. Linux 的就緒佇列 • 在就緒佇列中的所有行程，其狀態皆為TASK_RUNNING。 • 行程描述器中實作就緒佇列的 run_list 欄位： • 就緒佇列的開頭 11

  12. 排程的方法 • 先到先做排程 (First-Come, First Served) • 最短工作優先排程 (Shortest Job First) • 可搶先版：最短剩餘優先排程 • 優先權排程 – Priority Scheduling • 循環分時排程 – Round Robin Scheduling (大輪迴的排法) • 多層佇列排程 – Multilevel Queue Scheduling • 多層反饋佇列排程 – Multilevel Feedback Queue Scheduling 12

  13. 先到先做排程法 • First Come, First Served • 簡稱 FCFS Scheduling • 方法： • 先進入的行程先執行。 13

  14. P1 P3 P2 10 0 5 30 平均等待時間：(10 + 0 + 5）/ 3 = 5 毫秒 先到先做排程法 - 範例圖示 行程CPU 暴衝時間（毫秒） P1 20 P2 5 P3 5 P1 P2 P3 25 0 20 30 平均等待時間：(0 + 20 + 25）/ 3 = 15 毫秒 14

  15. 最短工作優先排程 • Shortest Job First • 簡稱 SJF Scheduling • 方法 • 需要的時間最短者先執行。 15

  16. 行程CPU 暴衝時間（毫秒） P1 15 P2 4 P3 3 P1 P2 P3 7 0 3 22 平均等待時間：（7 + 3 + 0）/ 3 = 3.3 毫秒 最短工作優先排程– 範例圖示 若使用 FCFS 排程法，行程到達的順序為 P1、P2、P3 則平均等待時間：（0 + 15 + 19）/ 3 = 11.3 毫秒 FCFS 的平均等待時間大約為 SJF 的 3.4 倍。 16

  17. 最短工作優先的問題 • SJF 在實作上有困難，因為很難知道行程下一個 CPU 暴衝時間的確實長度。 • 使用預估的方法來求得近似的值。行程下一個 CPU 暴衝時間的預估值可以設為前幾次 CPU 暴衝時間的幾何平均值。 • tn 為第 n 次 CPU暴衝時間的長度 • Tn+1 表示再下一次 CPU 暴衝時間的預估值 17

  18. 下一次 CPU 暴衝時間的預測 12 10 暴衝時間 8 6 4 2 0 4 1 2 3 5 6 7 0 時間 i CPU暴衝（ti） 6 4 6 4 13 13 13 … 預測（Ti） 10 8 6 6 5 9 11 12 … 18

  19. 最短剩餘優先排程 • SJF 也可以是可搶先的。 • 可搶先的 SJF 排程又稱為最短剩餘時間優先的排程法。 行程CPU 暴衝時間（毫秒）到達時間 P1 6 0 P2 3 1 P3 7 2 P4 4 3 P4 P2 P1 P1 P3 4 0 1 22 8 13 平均等待時間：（7 + 0 + 11 + 1）/ 4 = 4.75 毫秒 19

  20. 優先權排程 • Priority Scheduling • 方法： • 最高優先權的行程先執行 • Highest Priority First 20

  21. 優先權排程 – 圖示 使用不可搶先的優先權排程 優先權數值愈小代表優先權愈高 行程CPU 暴衝時間（毫秒）優先權 P1 6 2 P2 5 0 P3 7 3 P4 4 1 P5 3 2 P1 P4 P2 P5 P3 9 0 5 25 15 18 平均等待時間：（9 + 0 + 18 + 5 + 15）/ 5 = 9.4毫秒 21

  22. 循環分時排程 • Round-Robin Scheduling • 將時間等切成一小片一小片的時間切片，每一個時間切片則為每個行程每次得到 CPU 使用權後可執行的時間。 • 特別為分時系統所設計，為可搶先的。 22

  23. 循環分時排程 – 圖示 行程CPU 暴衝時間（毫秒） P1 6 P2 5 P3 7 (時間切片為 5 毫秒) P3 P2 P1 P1 P1 9 0 5 25 13 18 平均等待時間：（8 + 5 + 9）/ 3 = 7.33 毫秒 23

  24. 循環分時排程 - 注意事項 • RR 排程法的效能與時間切片的長短關係非常密切 • 太長 - 如同FCFS 排程法 • 太短 - 產生處理器分享的現象 • 使用 RR 排程法時，必須注意內文切換對效能的影響。 • 使用 RR 排程法最重要的一點就是定義時間切片的長短。一般的經驗法則是 80% 行程的 CPU 暴衝時間應該要比一個時間切片要來得短。 24

  25. 內文切換 次數 時間切片 長度 行程執行時間 = 8 毫秒 10 0 0 8 5 1 5 1 7 8 1 2 3 4 5 6 7 0 時間切片的影響 注意：時間切片若太短，則會一值在做內文切換，很少在真正執行程式。 25

  26. 多層佇列排程 • Multilevel Feedback Queue Scheduling • 方法： • 將行程分類，相同類型的行程分在同一佇列，而每一佇列都有自己的排程方法。 • 最常見的分類將行程分成 • 前景（互動）行程 - RR 排程法 • 背景（批次）行程 - FCFS 排程法 • 佇列與佇列之間還有優先權的關係，且佇列之間還需要另一個整體排程方法 • 可搶先的固定優先權排程法 • 可能會產生飢餓的現象。 26

  27. 多層佇列排程法 – 圖示 高優先權 系統行程 伺服精靈行程 批次行程 使用者行程 低優先權 27

  28. 多層反饋佇列排程 • 多層反饋佇列排程法允許行程在各個佇列間移動。 • CPU 暴衝時間愈長的行程就移到優先權比較低佇列中。 • 能避免飢餓的現象發生。 28

  29. A: 時間切片 = 5 ms B: 時間切片 = 20 ms C: FCFS 多層反饋佇列排程 – 圖示 29

  30. 常見作業系統的排程方法 • Linux, (UNIX, FreeBSD) : • First-Come, First-Serve Scheduling • Round – Robin Scheduling • Micro C/ OS2 (uCOS2) • Highest Priority First – Preemptive • 特色： • 每個行程都有唯一的優先順序，可搶先。 • 切換的速度超快，因為使用了特殊的位元導向資料結構作排程。 • 在嵌入式系統領域相當的火紅。 30

  31. 評估排程優劣的方法 • 定性模式 • 排隊模型 • 模擬 • 實作 31

  32. 定性模式 • 定性模式是一種分析式評估，使用預先選定的行程組合來評估各種不同的排程方法。 • 例如預先選定一組行程組合，然後分別使用 FCFS、SJF 和 RR 排程法來評估那一種排程法所產生的平均等待時間最短。 • 定性模式的評估快速簡單，但 • 需要事先知道很多系統的資訊當作輸入。 • 只適用於行為比較固定的系統上。 32

  33. 排隊模式 • 電腦系統可看成是以網路相連的一群伺服器的組合： • CPU 是執行就緒佇列中行程的伺服器 • I/O 系統是執行裝置佇列中行程的伺服器 • 佇列中行程的數目隨著時間變化，不適合以定性模式來評估。 • 若知道新行程到達的速率與舊行程被處理的速率，就可能求出 • CPU 使用率 • 佇列平均長度 • 平均等待時間 33

  34. 排隊模式 (續) • Little’s formula • Little’s formula 所作的排程評估相當有用，因為它的結果對各種排程方法都是成立的。 • 系統排程的模型很難以演算法和行程到達的分佈函數完全模擬出來。 • 排隊模型得到的結果經常只是模擬的近似值。 34

  35. 模擬 • 透過軟體建立一個電腦系統模型，以軟體的資料結構來模擬系統中的主要元件。 • 模擬程式在執行時，會產生很多資料與數據，這些資訊通常都被收集起來以備日後分析使用。 • 模擬時需要有很多資料來當作模擬程式的輸入，通常使用 • 亂數產生器產生行程和 CPU 的暴衝時間。 • 追蹤磁帶 • 模擬可以得到比較準確的評估結果，但它需要花費很大的成本，通常一次模擬都需花上數小時的時間。 35

  36. 實作 • 要完整地評估一個排程方法最終還是需要實作出排程器。 • 實作的主要困難點在於所花費的代價太高： • 撰寫排程器與修改作業系統需花費大量的時間 • 使用者對作業系統經常改變所產生反應的代價 • 另一個困難點在於評估的環境是變動的。 36

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