操作系统笔记-2.2.6 多处理机调度

王道操作系统笔记，视频链接：2.2.6 多处理机调度

知识总览

1. 多处理机调度：
   • 与单处理机调度相比，需要面临哪些新问题？
   • 方案一：公共就绪队列
   • 方案二：私有就绪队列

多处理机遇到问题

1. 单处理机调度：只需决定让哪个就绪进程优先上处理机即可。
   • 调度算法：先来先服务、最短作业优先、时间片轮转、优先级等
2. 多处理机调度：
   • ①用调度算法决定让哪个就绪进程优先上处理机；
   • ②还需决定被调度的进程到底上哪个处理机。

负载均衡、处理亲和性

1. 多处理机调度中，应追求的目标：
   • 负载均衡——尽可能让每个CPU都同等忙碌。
     • 比如四个CPU分别负载50%、80%、80%、90%，此时CPU1太过“空闲”，CPU4太过“忙碌”，这就不太符合负载均衡。
   • 处理机亲和性——尽量让一个进程调度到同一个CPU上运行，以发挥CPU中缓存（Cache）的作用
     • 比如CPU4上存在P4、P8、P12、P16的缓存，那么后续需要运行这些程序时，直接在CPU4上运行就可以利用这些缓存，如果把P4上没有P4缓存的CPU1运行，那么就会有更多的访问主存的动作，效率自然更低。
     • PS：（来自deepseek）缓存数据的有效停留时间，本质上是该进程与其他进程竞争缓存空间的激烈程度——核心越忙、进程占用缓存越多、缓存本身越小，数据被覆盖得就越快。

公共就绪队列

1. 定义：将系统内所有进程放在统一的就绪队列中。
2. 特点：
   • 所有CPU共享一个就绪队列进程（位于内核区）
   • 每个CPU运行调度程序（与单处理机一样，比如FCFS、SJF、RR等，控制优先级），从公共就绪队列中选择一个进程运行
     • 比如：CPU1空闲了，启动调度程序，选择了P1上处理机运行，其它CPU同理，它们都是并行运行。
     • 为了确保各CPU间对就绪队列的访问互斥（防止多个CPU同时调用同一个进程），在对就绪队列的访问期间，需要对就绪队列上锁
3. 优缺点：
   • 优点：可以天然地实现负载均衡
   • 缺点：各进程频繁地切换CPU运行，“亲和性”不好
4. 如何提升处理机亲和性？
   • 软亲和：由进程调度程序尽量保证“亲和性”
     • 也就是让调度程序尽可能调度存在缓存的进程
   • 硬亲和：由用户进程通过系统调用，主动要求操作系统分配固定的CPU，确保“亲和性”

私有就绪队列

1. 定义：顾名思义，操作系统会为每个CPU配一个就绪队列
2. 特点：
   • 每个CPU都有一个私有就绪队列
   • CPU空闲时运行调度程序，从私有就绪队列中选择一个进程运行
     • 各CPU的调度程度只会从自己的私有队列中挑选优先级最高的进程
3. 如何实现负载均衡？
   • 推迁移（Push）策略：
     • 一个特定的系统程序周期性检查每个处理器的负载，如果负载不平衡，就从忙碌CPU的就绪队列中“推”一些就绪进程到空闲CPU的就绪队列。
     • 比如：负责周期检查的系统程序检查到CPU4的负载较高，CPU1的负载较低，就可以把CPU4就绪队列中的某一个进程“推”给负载较低的CPU1，以实现负载均衡。
     • 类似于有一个包工头专门负责派活
   • 拉迁移（Pull）策略：
     • 每个CPU运行调度程序时，周期性检查自身负载与其它CPU负载。如果一个CPU负载很低，就从其它高负载CPU的就绪队列中**“拉”一些就绪进程到自己的就绪队列**。
     • 比如：每执行10次调度程序，CPU1就检查一下自己和其它CPU负载，此时发现自己负载较低，CPU4负载较高，就主动把CPU4就绪队列中的某些就绪进程“拉”到自己的队列。
     • 类似于一群互帮互助的同事（看到其他同事很忙，就主动揽活过来，分担任务）
4. 如何实现处理机亲和性？
   • 私有就绪队列天然地实现了“处理机亲和性”。
     • 因为一段时间内，CPU总会调度自己队列中的进程，所以这些进程在一段时间内总是上同一个CPU运行，这样就能发挥Cache的作用。
   • 由于推拉策略，可能导致部分进程移动到其他CPU上处理，此时会损失部分“处理机亲和性”，但是依然可以由用户进程通过系统调用，主动要求操作系统分配固定的CPU，实现硬亲和。

知识回顾与重要考点