公平共享 CPU 调度

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简介

公平共享 CPU 调度是一种在操作系统中使用的调度算法，旨在公平地分配 CPU 资源给不同的用户或进程组。公平共享调度器根据每个进程或组的历史使用情况为其分配权重，并根据这些权重分配 CPU 资源，确保没有任何组长时间被剥夺资源。这可以实现更好的资源利用率，并为所有组提供平等的机会访问 CPU。公平共享调度通常用于多用户系统和虚拟化环境，在这些环境中，多个用户或虚拟机共享单个物理 CPU。

公平共享调度算法

操作系统中可以使用多种公平共享调度算法，包括：

• 加权公平队列 (WFQ) − 该算法根据每个进程或流的流量特征为其分配权重，并确保每个流获得其公平的 CPU 时间份额。

• 广义处理器共享 (GPS) − GPS 是 WFQ 的更通用版本，并提供对 CPU 资源分配的更精确控制。它基于流体建模的概念，并为每个进程或流分配一个虚拟处理器。

• 随机公平队列 (SFQ) − 该算法将可用带宽划分为大小相等的时间段，并根据其哈希值将每个流分配到特定的时间段。这确保了每个流获得公平的 CPU 时间份额。

• 公平队列 (FQ) − FQ 为每个流分配一个队列，并以循环方式服务这些队列，确保每个队列获得其公平的 CPU 时间份额。

• 虚拟循环轮询 (VRR) − VRR 为每个进程或流分配一个虚拟时间片，并以循环方式服务它们，确保每个进程或流获得其公平的 CPU 时间份额。

公平共享调度的实现

公平共享调度可以通过多种方式实现，包括内核或用户级软件。

• 内核级实现 − 在内核中实现公平共享调度涉及以下步骤：

• 识别进程组 − 内核根据进程的所有权识别进程组。每个组根据其历史 CPU 使用情况分配一个权重。

• 计算公平份额 − 内核根据每个进程组的权重计算其公平的 CPU 资源份额。

• 分配 CPU 资源 − 内核根据其公平份额向每个进程组分配 CPU 资源。如果进程组未使用其公平份额，则允许其累积未使用的资源以备将来使用。

• 调整权重 − 内核定期根据每个进程组最近的 CPU 使用情况调整其权重，以确保公平的资源分配。

• 用户级实现 − 在用户级实现公平共享调度需要以下步骤：

• 识别进程组 − 根据其资源需求或所有权将进程分组。每个组都被视为资源分配的单元。

• 分配权重 − 根据其资源需求或历史使用情况为每个进程组分配权重。权重表示该组对 CPU 资源的权利。

• 计算公平份额 − 根据其权重计算每个进程组的公平 CPU 资源份额。公平份额表示该组在所有可用 CPU 资源中的份额。

• 分配 CPU 资源 − 根据其公平份额向每个进程组分配 CPU 资源。如果进程组未使用其公平份额，则允许其累积未使用的资源以备将来使用。

• 监控和调整权重 − 监控每个进程组的 CPU 使用情况，并根据其使用情况定期调整其权重。这确保了每个组随着时间的推移都能获得其公平的 CPU 资源份额。

• 在代码中实现 − 使用编程语言或库在用户级软件中实现公平共享 CPU 调度算法。代码应能够对进程进行分组、分配权重、计算公平份额，并根据公平份额分配资源。

公平共享 CPU 调度的优点

以下是该算法提供的一些优点：

• 公平性 − 公平共享调度确保 CPU 资源公平分配给不同的进程组，而不管其优先级或资源需求如何。

• 资源利用率 − 公平共享调度通过根据历史使用情况和权利分配 CPU 资源来优化资源利用率，而不是基于固定的优先级方案。

• 防止饥饿 − 公平共享调度通过根据进程组的权利和未使用的资源分配 CPU 资源来防止资源饥饿。

• 可预测性 − 公平共享调度为每个进程组提供可预测的 CPU 资源分配，这可以提高系统稳定性和性能。

• 可扩展性 − 公平共享调度具有可扩展性，可以应用于具有大量进程或进程组的系统，确保每个组获得其公平的 CPU 资源份额。

• 灵活性 − 公平共享调度允许用户根据其资源需求和使用模式调整每个进程组的权重，从而在资源分配方面提供灵活性。

• 提高响应能力 − 公平共享调度可以通过确保 CPU 资源公平分配给不同的进程组来提高系统响应能力，从而降低 CPU 密集型进程独占资源的可能性。

公平共享 CPU 调度的局限性

总的来说，虽然公平共享 CPU 调度可以提供一种平衡的资源分配方法，但它可能不适合所有系统或应用程序，并且需要仔细配置和管理才能确保正常运行。

• 开销 − 公平共享 CPU 调度在计算上可能代价高昂，并且需要额外的开销来跟踪 CPU 使用情况和计算公平份额权重。

• 复杂性 − 公平共享调度比其他调度算法更复杂，并且需要额外的配置和管理才能确保正常运行。

• 缺乏灵活性 − 公平共享调度可能不适合具有硬实时要求的系统或需要固定分配 CPU 资源的应用程序。

• 依赖于用户级实现 − 公平共享调度的用户级实现可能不如内核级实现高效，并且可能会引入额外的开销和复杂性。

• 难以调整 − 调整公平份额权重可能很困难，因为它需要了解每个进程组的资源需求和使用模式。

• 有效性有限 − 在具有大量短暂进程的系统或资源需求变化很大的系统中，公平共享调度可能无效。

与其他调度算法的集成

公平共享调度可以与其他调度算法集成，以提高系统的整体效率和公平性。以下是公平共享调度可以与其他调度算法集成的一些方法：

• 多级反馈队列 − 公平共享调度可以与多级反馈队列 (MLFQ) 算法集成，以提供更平衡的资源分配方法。MLFQ 算法可用于根据优先级分配 CPU 资源，而公平共享调度可用于确保每个进程组获得其公平的 CPU 资源份额。

• 基于优先级的调度 − 公平共享调度可以与基于优先级的调度算法集成，以提供更平衡的资源分配方法。基于优先级的算法可用于根据优先级分配 CPU 资源，而公平共享调度可用于确保每个进程组获得其公平的 CPU 资源份额。

• 实时调度 − 公平共享调度可以与实时调度算法集成，以提供更平衡的资源分配方法。实时调度算法可用于根据截止日期分配 CPU 资源，而公平共享调度可用于确保每个进程组获得其公平的 CPU 资源份额。

公平共享的计算

在公平共享 CPU 调度中，公平共享权重的计算基于授权和使用量的概念。进程组的公平共享权重计算如下：

• 确定进程组在最近一段时间内的历史使用情况（例如，最近一分钟、最近一小时等）。

• 根据可用的总 CPU 资源和进程组的数量，计算进程组的授权量。

• 将进程组的历史使用量与授权量之比计算为进程组的公平共享权重。

例如，假设系统中有三个进程组，其历史 CPU 使用情况如下：

• 组 A：10 秒

• 组 B：20 秒

• 组 C：30 秒

假设可用的总 CPU 时间为 60 秒，则每个进程组的授权量为 20 秒（即 60 / 3）。每个进程组的公平共享权重可以计算如下：

• 组 A：10 / 20 = 0.5

• 组 B：20 / 20 = 1

• 组 C：30 / 20 = 1.5

因此，组 A 有权使用 50% 的 CPU 资源，组 B 有权使用 100% 的 CPU 资源，组 C 有权使用 150% 的 CPU 资源。公平共享调度程序将根据其公平共享权重为每个进程组分配 CPU 资源，确保每个进程组随着时间的推移获得其公平份额的 CPU 资源。

结论

总的来说，公平共享 CPU 调度是一种有用的技术，可以确保 CPU 资源在不同的进程组之间公平有效地分配，并且可以成为任何操作系统调度程序的有价值的补充。