OS考点（一）https://developer.aliyun.com/article/1498390
调度算法
目标和相关定义 
- 运行时间:占用cpu运行的时间
周转时间=等待时间+运行时间周转时间 = 等待时间 + 运行时间周转时间=等待时间+运行时间
响应时间在等待时间里面
带权（归一化）周转时间𝑾=Tt/Ts，其中Tt𝑾 = T_t/T_s，其中T_tW=Tt/Ts，其中Tt 是进程的周转时间，TsT_sTs 是该进程接受服务的时间（即运行时间）
先来先服务,排队算法
FCFS (Fisrt Come Fisrt Serve) 或 FIFO (First In First Out)
- 缺点:周转时间长
I/O型进程必须等待计算型进程用完CPU，将导致 设备使用率低，对短作业不公平
最短作业优先
SJF(Shortest Job First) 或 Shortest Process Next- 
在目前的假设条件下，可以证明，SJF调度算法的平均 T周转时间是**最优（optimal）**的
- 缺点:作业可能在任何时刻到达,周转时间也会变长
最短剩余时间优先
SRT(Shortest Remaining Time)或STCF(Shortest Time-to-Complete First-
新来作业产生中断，重新调度 
缺点
- 可能产生饥饿(starvation) 在上面的例子中，从10时刻起，如果源源���断有短进程到来，则作业A始终得不到执行
- SJF也可能饥饿，比如0时刻到来10和100作业，之后不断有10作业到来
- 由于允许抢占，SRT比SJF更容易饥饿
- 对长作业不公平
- 算法的实现更困难，开销更大
- 必须支持中断处理（抢占）
- 需要计算“已运行的时间”
- 每次中断都要调度
轮转（轮询）调度算法
响应时间比上面三种都要好
RR（ Round Robin ），又称时间片调度 
- 每运行一个时间片（time slice, scheduling quantum，时钟周期的倍数）产生时钟中断，并重新调度
- 公平，长短作业都能兼顾，不会饥饿
- 调度时算法简单（可仅用FCFS）
时间片大小的选取 
缺点
- T周转T_{周转}T周转是各种调度算法中较差的，甚至可能还不如FCFS
高响应比优先
短作业尽快响应，长作业也能照顾到，平均周转作业时代的一个折中方案
响应比（Response Ratio） 𝑹𝒓𝑹_𝒓Rr𝑹𝒓=(等待时间+运行时间)/运行时间𝑹_𝒓 = (等待时间 + 运行时间)/运行时间Rr=(等待时间+运行时间)/运行时间=周转时间/运行时间 = 周转时间/运行时间=周转时间/运行时间当等待时间同样长，短作业的响应比高，优先执行
一般来说，没有抢占，即等待时间 == 响应时间
随等待时间的增加，响应比会上升，从而照顾到长作业 
终极解决方案-MLFQ
多级队列(静态优先级)调度：
多级=多个队列，各有不同的优先级（Priority） 
具体怎样实现是机制(mechanism ，战术)，如：
- 应该定多少个优先级？
- 每级队列使用什么调度算法（FCFS、RR）？
- 每级队列应该分多大的时间片？
- 当用完时间片，降多少级？
- 满足什么条件提升优先级？提升多少？
- 上述内容用什么方式实现？（查表、数学公式……）
规则
- if Priority(A)>Priority(B)，运行Ａ（不运行B），大于小于号要具体确定
- if Priority(A)=Priority(B)，以RR方式运行A和B
- 新来的作业的优先级定为最高
- 如果一个作业（在一定时间S内累计）用完了它的时间片，则降低其优先级
- 如果作业在时间片前释放CPU，则保持不变
- 一定时间S后，将所有作业提升为最高优先级
缺点：
- 对未知进程难以确定优先级；
- 饥饿；
- 误判：假如一个进程刚开始是计算型的，但随着时间变化为交互式的，却因为降级而永远不能被平等对待
- 博弈问题：吃透了规则的计算型进程，对普通计算型进程不公平
公平共享调度
- 优先级调度的目标：优化周转时间、响应时间、资源利用率
- 公平调度的目标：让每个任务都能获得一定份额的系统资源
Lottery调度（摆烂调度）
- 为每个进程提供至少一张彩票
- 更重要的进程获得较多彩票
- 每次调度时，随机选取一张，握有该票的进程运行
- 可在需要时将彩票交给合作进程
调度算法总结
进程同步
海森堡bug：不可重现的bug。如果程序重启，bug就可能不再出现。
可能原因：
- 调试器本身影响了bug的产生；
- 编译器的不恰当优化；
- 未��始化变量的值；
- 时间敏感的bug：常在多进程/多线程并发的程序发生
对共享变量的并发写操作（读没关系），有必要互斥共享变量，如果不做相关保护措施，会有极大的可能造成bug
在实现同步之前，进/线程：
- 可能在任何时间被暂停与重启；
- 一旦暂停，其等待的时间未知；
- 多个进/线程可能以任意顺序运行；
进程同步的基本概念
- 竞争条件（race condition）：多个进程在操作一个共享数据时，结果取决于多个进程的指令执行顺序
- 同步（ Synchronization ）: 协调多个进程的执行次序，确保并发的进程之间按照一定的规则共享系统资源，很好的相互合作，使程序的执行具有可再现性。
- 互斥（ Mutual Exclusion ）:当某进/线程正在做某件事时，不允许其它进/线程也做这件事
- 临界资源（Critical Resource）：操作系统中一次允许一个进程访问的资源
- 如：打印机、文件、全局变量……
- 对临界资源应采用互斥方式共享
- 临界区（ Critical Section ）: 一次只有一个进程以执行的那段代码。即进程中访问临界资源的那段程序。
- 实现了互斥，也就有了临界区
- 锁（ Lock ）: 防止其它进程进入的工具
- 进入临界区前上锁
- 离开后解锁
- 如果已有锁，则在临界区外等待
进程同步的准则
原子操作
所有动作要么全做，要么全不做，操作过程中不能被打断又称原语（Primitive）
实现互斥的软件方法
忙等: 不能进入临界区的进程，一直占用CPU等待进入
- 等待中的进程白白占用处理机周期
- 拿着锁的进程的时间被无效的等待进程占用
- 优先级反转（priority inversion）
例外：
- 在多核CPU系统中，对于只占用很少时间的临界区，忙等 反而可以节约上下文切换的开销。
Peterson算法
- 当Note && turn 的条件不满足，进入忙等
- 代码必然让线程PA，PB都至少执行到了给turn复制的一步（哪个线程还没到，另一个就会等待）
- 完成后，就是看谁先执行turn赋值，谁先进入临界区，另一个仍然在等待
- 先执行的线程完成后，收走自己的纸条，让另一个线程运行，实现了互斥
软件同步的局限
纯软件方法利用最低限度的原子操作支持（Load和Store），也可以实现同步，但是
- 算法的设计和实现都很困难
- 在现代计算机架构下可能失效
- 编译器/CPU可能使指令乱序执行（需内存屏障） 所以很少使用纯软件同步方法，多是操作系统配合硬件实现同步，封装成各个api函数给程序员使用，所以不能直接调用。
硬件同步
设法实现两个原语（原子操作）
Lock() – 加锁，当无人用锁时获得锁；若多人同时尝试拿锁，则只有一人能拿到，其余人等待；
Unlock() – 解锁，唤醒在等待的人
cpp
复制代码
Lock(); //进入区 if (noPaper) { buy Paper; //临界区 } Unlock(); //退出区
需要硬件提供更多的原子操作。
关中断
进程切换
- 内因：进程做了某事(系统调用或异常)，自己释 放了CPU
- 外因：中断导致内核介入，进程失去CPU
如果关闭了中断，无论内因外因均不再响应，则可以避开进程切换
关中断方案，又称屏蔽(mask)中断
问题
- 不能允许用户使用这种锁！只可能内核使用
- 由于临界区的代码运行的时间未知，不能保证实时性；更重要任务发生时，系统也无法响应（死循环关闭中断）
- 仅能关闭单个CPU，不适合多核CPU
读-修改-写型原子操作swap
可以用于多核处理器的指令 
Test-and-Set
锁
上述硬件原语通常不直接给程序员使用，于是操作系统和高级语言将它们封装为各种接口，供程序员使用。最常见的一类工具就是“锁(locks)”。
- 锁是原子操作，多个进程同时lock，最终须依次执行
- 最先执行lock的进入临界区并加锁，后来的无法进入临界区
- 进不去的进程有两种选择：忙等，或睡眠
- 非忙等——互斥锁——重量级（悲观）锁
- 忙等——自旋锁——轻量级（乐观）锁
信号量
并发问题分为两类：
- 互斥（Mutual Exclusion）：确保临界资源被互斥的使用
- 工具：锁（Lock）
- 程序员只需识别出临界区
- 竞争共享资源，用mutex=1，P、V操作成对出现
- 同步（Synchronization）：确保进程按照期望的先后顺序运行
- 工具：条件变量（condition variable）
- 不满足条件的进程等待(wait)，直到条件满足，才通知(signal)其执行
- 控制进程间的先后顺序，初值根据具体情况设置，P、V分开在不同的进程使用对每个约束设置一个信号量
信号量是一种抽象数据类型
- 由一个整形变量（Sem）和两个原子操作（P, V）组成
- P——wait()——等待，信号量值-1（可以负数）
- V——signal()——唤醒，信号量值+1
用法
- 实现进程互斥，信号量mutex
- 实现进程间前趋后继（又称同步）关系，可以让进程之间相互等待
生产者和消费者问题
问题描述：
- 一个或多个生产者将产品放入一个共享的缓冲区
- 多个消费者从缓冲区中取出使用
- 生产者和消费者之间并发运行，保持同步
以自动售货机为例，约束条件包括：
- 每次只允许一个人对售货机进行操作（互斥约束）
- 当饮料已售空，消费者必须等待生产者（同步约束）
- 当饮料已放满，生产者必须等待消费者（同步约束）
用信号量实现问题时的准则：
对每个约束条件，各使用一个单独的信号量
- Semaphore mutex; //互斥的约束
- Semaphore drinkSlots ； //消费者的约束
- Semaphore emptySlots; //生产者的约束
生产者和消费者的工作并不需要互斥。
生产者每次只能一个（互斥），消费者同样
因为buffer的容量只有1，PV操作在实现信号量同步，保持生产者消费者之间的关系时，也天然实现了互斥，最多只有一个访问共享条件。
- P表示等待这个条件
