201308010314 计科3班 王操

HUNAN UNIVERSITY操作系统实验报告题目：调度器学生姓名：wc学生学号：201308010314专业班级：计科1303同组成员：上课老师：肖德贵目录一、内容 (2)二、目的 (2)三、实验设计思想和流程 (2)四、主要数据结构及符号说明 (5)五、程序初值及运行结果 (7)六、实验体会和思考题 (7)附录（源代码及注释） (7)一、内容实验五完成了用户进程的管理，可在用户态运行多个进程。

但到目前为止，采用的调度策略是很简单的FIFO 调度策略。

本次实验，主要是熟悉ucore的系统调度器框架，以及基于此框架的Round-Robin（RR）调度算法。

然后参考RR调度算法的实现，完成Stride Scheduling调度算法。

二、目的理解操作系统的调度管理机制熟悉ucore 的系统调度器框架，以及缺省的Round-Robin 调度算法基于调度器框架实现一个(Stride Scheduling)调度算法来替换缺省的调度算法三、实验设计思想和流程实行一个进程调度策略，到底需要实现哪些基本功能对应的数据结构？首先考虑到一个无论哪种调度算法都需要选择一个就绪进程来占用CPU运行。

为此我们可把就绪进程组织起来，可用队列（双向链表）、二叉树、红黑树、数组…等不同的组织方式。

在操作方面，如果需要选择一个就绪进程，就可以从基于某种组织方式的就绪进程集合中选择出一个进程执行。

需要注意，这里“选择”和“出”是两个操作，选择是在集合中挑选一个“合适”的进程，“出”意味着离开就绪进程集合。

另外考虑到一个处于运行态的进程还会由于某种原因（比如时间片用完了）回到就绪态而不能继续占用CPU执行，这就会重新进入到就绪进程集合中。

这两种情况就形成了调度器相关的三个基本操作：在就绪进程集合中选择、进入就绪进程集合和离开就绪进程集合。

这三个操作属于调度器的基本操作。

在进程的执行过程中，就绪进程的等待时间和执行进程的执行时间影响调度选择的重要因素，这两个因素随着时间的流逝和各种事件的发生在不停地变化，比如处于就绪态的进程等待调度的时间在增长，处于运行态的进程所消耗的时间片在减少等。

这些进程状态变化的情况需要及时让进程调度器知道，便于选择更合适的进程执行。

所以这种进程变化的情况就形成了调度器相关的一个变化感知操作：timer时间事件感知操作。

这样在进程运行或等待的过程中，调度器可以调整进程控制块中与进程调度相关的属性值（比如消耗的时间片、进程优先级等）并可能导致对进程组织形式的调整（比如以时间片大小的顺序来重排双向链表等），并最终可能导致调选择新的进程占用CPU运行。

这个操作属于调度器的进程调度属性调整操作。

考察round-robin 调度器，在假设所有进程都充分使用了其拥有的CPU 时间资源的情况下，所有进程得到的CPU 时间应该是相等的。

但是有时候我们希望调度器能够更智能地为每个进程分配合理的CPU 资源。

假设我们为不同的进程分配不同的优先级，则我们有可能希望每个进程得到的时间资源与他们的优先级成正比关系。

Stride调度是基于这种想法的一个较为典型和简单的算法。

除了简单易于实现以外，它还有如下的特点：可控性：如我们之前所希望的，可以证明Stride Scheduling对进程的调度次数正比于其优先级。

确定性：在不考虑计时器事件的情况下，整个调度机制都是可预知和重现的。

该算法的基本思想可以考虑如下：1. 为每个runnable的进程设置一个当前状态stride，表示该进程当前的调度权。

另外定义其对应的pass 值，表示对应进程在调度后，stride 需要进行的累加值。

2. 每次需要调度时，从当前runnable 态的进程中选择stride最小的进程调度。

3. 对于获得调度的进程P，将对应的stride加上其对应的步长pass（只与进程的优先权有关系）。

4. 在一段固定的时间之后，回到2.步骤，重新调度当前stride最小的进程。

可以证明，如果令P.pass =BigStride / P.priority 其中P.priority 表示进程的优先权（大于1），而BigStride 表示一个预先定义的大常数，则该调度方案为每个进程分配的时间将与其优先级成正比。

证明过程我们在这里略去，有兴趣的同学可以在网上查找相关资料。

将该调度器应用到ucore 的调度器框架中来，则需要将调度器接口实现如下：init:–初始化调度器类的信息（如果有的话）。

–初始化当前的运行队列为一个空的容器结构。

（比如和RR调度算法一样，初始化为一个有序列表）enqueue–初始化刚进入运行队列的进程proc的stride属性。

–将proc插入放入运行队列中去（注意：这里并不要求放置在队列头部）。

dequeue–从运行队列中删除相应的元素。

pick next–扫描整个运行队列，返回其中stride值最小的对应进程。

–更新对应进程的stride值，即pass = BIG_STRIDE / P->priority; P->stride += pass。

proc tick:–检测当前进程是否已用完分配的时间片。

如果时间片用完，应该正确设置进程结构的相关标记来引起进程切换。

–一个process 最多可以连续运行rq.max_time_slice个时间片。

在具体实现时，有一个需要注意的地方：stride属性的溢出问题，在之前的实现里面我们并没有考虑stride 的数值范围，而这个值在理论上是不断增加的，在stride溢出以后，基于stride的比较可能会出现错误。

比如假设当前存在两个进程A 和B，stride属性采用16位无符号整数进行存储。

当前队列中元素如下（假设当前运行的进程已经被重新放置进运行队列中）：使用优先队列实现Stride Scheduling可以看到由于溢出的出现，进程间stride的理论比较和实际比较结果出现了偏差。

我们首先在理论上分析这个问题：令PASS_MAX为当前所有进程里最大的步进值。

则我们可以证明如下结论：对每次Stride调度器的调度步骤中，有其最大的步进值STRIDE_MAX和最小的步进值STRIDE_MIN之差：STRIDE_MAX – STRIDE_MIN <= PASS_MAX提问1：如何证明该结论？有了该结论，在加上之前对优先级有Priority > 1限制，我们有STRIDE_MAX – STRIDE_MIN <= BIG_STRIDE,于是我们只要将BigStride取在某个范围之内，即可保证对于任意两个Stride 之差都会在机器整数表示的范围之内。

而我们可以通过其与0的比较结构，来得到两个Stride的大小关系。

在上例中，虽然在直接的数值表示上98 < 65535，但是98 - 65535 的结果用带符号的16位整数表示的结果为99,与理论值之差相等。

所以在这个意义下98 > 65535。

基于这种特殊考虑的比较方法，即便Stride有可能溢出，我们仍能够得到理论上的当前最小Stride，并做出正确的调度决定。

提问2：在ucore 中，目前Stride是采用无符号的32位整数表示。

则BigStride应该取多少，才能保证比较的正确性？在上述的实现描述中，对于每一次pick_next函数，我们都需要完整地扫描来获得当前最小的stride及其进程。

这在进程非常多的时候是非常耗时和低效的，有兴趣的同学可以在实现了基于列表扫描的Stride调度器之后比较一下priority程序在Round-Robin及Stride调度器下各自的运行时间。

考虑到其调度选择于优先队列的抽象逻辑一致，我们考虑使用优化的优先队列数据结构实现该调度。

优先队列是这样一种数据结构：使用者可以快速的插入和删除队列中的元素，并且在预先指定的顺序下快速取得当前在队列中的最小（或者最大）值及其对应元素。

可以看到，这样的数据结构非常符合Stride 调度器的实现。

本次实验提供了libs/skew_heap.h 作为优先队列的一个实现，该实现定义相关的结构和接口，其中主要包括：1 // 优先队列节点的结构2 typedef struct skew_heap_entry skew_heap_entry_t;3 // 初始化一个队列节点4 void skew_heap_init(skew_heap_entry_t *a);5 // 将节点b 插入至以节点 a 为队列头的队列中去，返回插入后的队列6 skew_heap_entry_t *skew_heap_insert(skew_heap_entry_t *a,7 skew_heap_entry_t *b,8 compare_f comp);9 // 将节点b 插入从以节点 a 为队列头的队列中去，返回删除后的队列10 skew_heap_entry_t *skew_heap_remove(skew_heap_entry_t *a,11 skew_heap_entry_t *b,12 compare_f comp);其中优先队列的顺序是由比较函数comp决定的，sched_stride.c中提供了proc_stride_comp_f比较器用来比较两个stride的大小，你可以直接使用它。

当使用优先队列作为Stride调度器的实现方式之后，运行队列结构也需要作相关改变，其中包括：struct run_queue中的lab6_run_pool指针，在使用优先队列的实现中表示当前优先队列的头元素，如果优先队列为空，则其指向空指针（NULL）。

struct proc_struct中的lab6_run_pool结构，表示当前进程对应的优先队列节点。

本次实验已经修改了系统相关部分的代码，使得其能够很好地适应LAB6新加入的数据结构和接口。

而在实验中我们需要做的是用优先队列实现一个正确和高效的Stride调度器，如果用较简略的伪代码描述，则有：init(rq):– Initialize rq->run_list– Set rq->lab6_run_pool to NULL– Set rq->proc_num to 0enqueue(rq, proc)– Initialize proc->time_slice– Insert proc->lab6_run_pool into rq->lab6_run_pool– rq->proc_num ++dequeue(rq, proc)– Remove proc->lab6_run_pool from rq->lab6_run_pool– rq->proc_num --pick_next(rq)– If rq->lab6_run_pool == NULL, return NULL– Find the proc corresponding to the pointer rq->lab6_run_pool– proc->lab6_stride += BIG_STRIDE / proc->lab6_priority– Return procproc_tick(rq, proc):– If proc->time_slice > 0, proc->time_slice --– If proc->time_slice == 0, set the flag proc->need_resched四、主要数据结构及符号说明在理解框架之前，需要先了解一下调度器框架所需要的数据结构。