《調(diào)度與處理器分配》課件

《調(diào)度與處理器分配》本課件旨在深入講解計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中調(diào)度與處理器分配的基本概念、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景。我們將從調(diào)度的定義和目標(biāo)出發(fā)，探索各種調(diào)度策略的優(yōu)劣，并進(jìn)一步探討處理器分配的機(jī)制、策略和負(fù)載均衡等重要內(nèi)容。最后，我們將介紹并行化計(jì)算的概念和實(shí)現(xiàn)方法，幫助您理解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的并行處理技術(shù)。課程導(dǎo)入課程目標(biāo)深入理解操作系統(tǒng)的核心概念：調(diào)度與處理器分配。掌握各種調(diào)度策略及其優(yōu)缺點(diǎn)。了解處理器分配的機(jī)制和策略。學(xué)習(xí)并行計(jì)算的概念和實(shí)現(xiàn)方法。課程內(nèi)容調(diào)度：定義、目標(biāo)、策略處理器分配：概念、目標(biāo)、策略負(fù)載均衡：概念、評(píng)估、修正并行化：概念、挑戰(zhàn)、模型什么是調(diào)度調(diào)度是指操作系統(tǒng)管理和分配系統(tǒng)資源（如CPU、內(nèi)存、磁盤等）的過程，它決定了哪個(gè)進(jìn)程或線程在何時(shí)獲取資源，從而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理。調(diào)度的目標(biāo)1提高系統(tǒng)吞吐量在單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量更多。2降低平均等待時(shí)間減少進(jìn)程或線程等待資源的時(shí)間。3保證公平性所有進(jìn)程或線程都能獲得公平的資源分配機(jī)會(huì)。4提升系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間縮短用戶請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間。調(diào)度的策略不同的調(diào)度策略根據(jù)不同的目標(biāo)和優(yōu)先級(jí)來分配系統(tǒng)資源，常見策略包括先來先服務(wù)調(diào)度、短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度、最短剩余時(shí)間優(yōu)先調(diào)度、最高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度等。先來先服務(wù)調(diào)度先來先服務(wù)調(diào)度是一種簡(jiǎn)單直觀的策略，按照進(jìn)程到達(dá)系統(tǒng)的順序依次分配資源，先到達(dá)的進(jìn)程先執(zhí)行。它容易實(shí)現(xiàn)，但無法考慮作業(yè)的長(zhǎng)度，可能導(dǎo)致短作業(yè)等待時(shí)間過長(zhǎng)。短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度策略優(yōu)先分配資源給預(yù)計(jì)運(yùn)行時(shí)間較短的作業(yè)，以減少系統(tǒng)整體等待時(shí)間。它適合處理大量短作業(yè)，但在處理長(zhǎng)作業(yè)時(shí)會(huì)導(dǎo)致等待時(shí)間過長(zhǎng)。最短剩余時(shí)間優(yōu)先調(diào)度最短剩余時(shí)間優(yōu)先調(diào)度是短作業(yè)優(yōu)先策略的改進(jìn)，它考慮的是作業(yè)剩余的運(yùn)行時(shí)間，優(yōu)先執(zhí)行剩余時(shí)間最短的作業(yè)。這種策略可以有效縮短平均等待時(shí)間，但需要提前預(yù)估作業(yè)的運(yùn)行時(shí)間。最高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度最高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度策略綜合考慮了作業(yè)的等待時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間，它優(yōu)先執(zhí)行響應(yīng)比最高的作業(yè)，響應(yīng)比是指等待時(shí)間與運(yùn)行時(shí)間的比值。這種策略可以平衡長(zhǎng)作業(yè)和短作業(yè)的等待時(shí)間，但需要計(jì)算響應(yīng)比，增加系統(tǒng)開銷。調(diào)度算法的比較與應(yīng)用算法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景先來先服務(wù)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)無法考慮作業(yè)長(zhǎng)度簡(jiǎn)單的批處理系統(tǒng)短作業(yè)優(yōu)先降低平均等待時(shí)間長(zhǎng)作業(yè)等待時(shí)間過長(zhǎng)大量短作業(yè)的系統(tǒng)最短剩余時(shí)間優(yōu)先更有效地縮短等待時(shí)間需要預(yù)估作業(yè)運(yùn)行時(shí)間實(shí)時(shí)系統(tǒng)，需要快速響應(yīng)最高響應(yīng)比優(yōu)先平衡長(zhǎng)短作業(yè)等待時(shí)間計(jì)算開銷較大需要平衡長(zhǎng)短作業(yè)的系統(tǒng)處理器分配的概念處理器分配是指操作系統(tǒng)將CPU資源分配給不同進(jìn)程或線程的過程，它決定了哪個(gè)進(jìn)程或線程可以占用CPU進(jìn)行執(zhí)行。處理器分配的目標(biāo)1最大化CPU利用率盡量減少CPU空閑時(shí)間，提高資源利用效率。2提高系統(tǒng)吞吐量在單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量更多。3保證公平性所有進(jìn)程或線程都能獲得公平的CPU時(shí)間分配機(jī)會(huì)。4滿足不同進(jìn)程需求根據(jù)不同進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)和資源需求進(jìn)行分配。處理器分配的策略處理器分配策略主要分為靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配兩種，靜態(tài)分配在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)就分配好每個(gè)進(jìn)程的CPU時(shí)間片，而動(dòng)態(tài)分配則根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)程的CPU時(shí)間片。靜態(tài)分配靜態(tài)分配策略簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，適合處理固定數(shù)量的進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程都擁有固定的CPU時(shí)間片。但這種策略無法根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，可能導(dǎo)致一些進(jìn)程長(zhǎng)時(shí)間等待CPU時(shí)間，影響系統(tǒng)性能。動(dòng)態(tài)分配動(dòng)態(tài)分配策略根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)程的CPU時(shí)間片，可以根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)、資源需求等進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高資源利用率和系統(tǒng)性能。但動(dòng)態(tài)分配策略的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，需要額外的系統(tǒng)開銷。動(dòng)態(tài)分配算法常用的動(dòng)態(tài)分配算法包括時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法、優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法、多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法等，這些算法根據(jù)不同的策略分配CPU時(shí)間片，以達(dá)到不同的目標(biāo)。負(fù)載均衡負(fù)載均衡是指將來自多個(gè)用戶的請(qǐng)求分散到多個(gè)服務(wù)器上處理，以避免單個(gè)服務(wù)器過載，提高系統(tǒng)性能和可用性。它是一種重要的技術(shù)，尤其是在多服務(wù)器系統(tǒng)中，可以有效地提高系統(tǒng)性能和可靠性。負(fù)載評(píng)估負(fù)載評(píng)估是指評(píng)估系統(tǒng)當(dāng)前的負(fù)載情況，包括CPU使用率、內(nèi)存使用率、網(wǎng)絡(luò)流量等。通過評(píng)估系統(tǒng)負(fù)載，可以判斷系統(tǒng)是否處于正常狀態(tài)，以及是否需要采取措施進(jìn)行負(fù)載均衡。失衡檢測(cè)失衡檢測(cè)是指檢測(cè)系統(tǒng)中不同服務(wù)器之間的負(fù)載是否均衡，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)服務(wù)器負(fù)載過高，而其他服務(wù)器負(fù)載較低，則需要采取措施進(jìn)行負(fù)載均衡。失衡修正失衡修正是指通過調(diào)整服務(wù)器的配置或策略，將過高的負(fù)載轉(zhuǎn)移到負(fù)載較低的服務(wù)器上，以達(dá)到負(fù)載均衡的目的。常見的失衡修正方法包括負(fù)載均衡算法、服務(wù)器擴(kuò)容、服務(wù)器遷移等。并行化概念并行化是指將一個(gè)任務(wù)分解成多個(gè)子任務(wù)，并由多個(gè)處理器或核心同時(shí)執(zhí)行，以提高任務(wù)執(zhí)行效率。它是一種重要的技術(shù)，可以有效地加速計(jì)算密集型任務(wù)的執(zhí)行速度。并行化的挑戰(zhàn)任務(wù)分解將任務(wù)分解成可并行的子任務(wù)，并且每個(gè)子任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間要足夠短。通信同步子任務(wù)之間需要通信和同步，以保證正確性。通信和同步的開銷會(huì)影響性能。數(shù)據(jù)分布需要將數(shù)據(jù)分配到不同的處理器上，并保證數(shù)據(jù)的一致性。負(fù)載均衡需要保證每個(gè)處理器都有足夠的任務(wù)執(zhí)行，避免某些處理器過載而其他處理器閑置。并行計(jì)算模型共享內(nèi)存模型所有處理器共享同一個(gè)內(nèi)存空間，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和同步。消息傳遞模型處理器之間通過消息傳遞進(jìn)行通信和同步，適合分布式計(jì)算。數(shù)據(jù)并行模型將數(shù)據(jù)分成多個(gè)部分，每個(gè)處理器處理一部分?jǐn)?shù)據(jù)。任務(wù)并行模型將任務(wù)分成多個(gè)子任務(wù)，每個(gè)處理器執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)子任務(wù)。程序分區(qū)1識(shí)別并行任務(wù)2分解成子任務(wù)3分配給處理器4通信和同步5數(shù)據(jù)分布程序分區(qū)是將程序代碼分解成可并行的子任務(wù)，并將子任務(wù)分配到不同的處理器上執(zhí)行。分區(qū)粒度分區(qū)粒度是指將程序代碼分解成子任務(wù)的細(xì)致程度，細(xì)粒度分區(qū)可以提高并行效率，但會(huì)增加通信和同步的開銷，而粗粒度分區(qū)可以降低通信和同步的開銷，但可能降低并行效率。分區(qū)策略分區(qū)策略是指選擇哪些部分代碼進(jìn)行并行化，以及如何將代碼分解成子任務(wù)。常用的分區(qū)策略包括數(shù)據(jù)分區(qū)、任務(wù)分區(qū)、循環(huán)并行化等。通信同步通信同步是指在并行執(zhí)行過程中，不同處理器之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和同步，以保證程序的正確性。常用的通信同步方法包括共享內(nèi)存、消息傳遞、同步屏障等。數(shù)據(jù)分布數(shù)據(jù)分布是指將程序所需的數(shù)據(jù)分配到不同的處理器上，以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷，提高并行效率。常用的數(shù)據(jù)分布策略包括數(shù)據(jù)復(fù)制、數(shù)據(jù)分塊、數(shù)據(jù)散列等。性能評(píng)估1吞吐量單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量。2響應(yīng)時(shí)間完成任務(wù)所需的時(shí)間。3加速比并行執(zhí)行時(shí)間與串行執(zhí)行時(shí)間的比值。4效率并行執(zhí)行時(shí)間與處理器數(shù)量的乘積之比。優(yōu)化建議1選擇合適的并行模型2優(yōu)化分區(qū)策略