深入理解CPU调度原理——工程问题解决

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于 2023-03-31 19:05:32 首次发布

CPU 调度是操作系统中管理和分配 CPU 时间的机制，目的是确保多个进程或线程能够有效地共享 CPU 资源。以下是 CPU 调度的基本原理、常用算法和实现方式。

1. 基本概念

进程与线程：进程是资源分配的基本单位，线程是进程中的执行单元。CPU 调度主要针对线程进行。
上下文切换：当 CPU 从一个进程切换到另一个进程时，需要保存当前进程的状态，并加载下一个进程的状态，这个过程称为上下文切换。

2. 调度目标

公平性：确保所有进程获得合理的 CPU 时间。
效率：最大化 CPU 的利用率，最小化空闲时间。
响应时间：减少用户请求的响应时间，提高系统交互性。
周转时间：降低进程完成所需的总时间。

3. 调度算法

常见的 CPU 调度算法包括：

3.1. 先来先服务（FCFS）

按照进程到达的顺序分配 CPU 时间。
简单易实现，但可能导致较长的平均等待时间和“召唤现象”。

3.2. 短作业优先（SJF）

优先执行预计执行时间最短的进程。
可以有效降低平均等待时间，但可能导致较长作业的饥饿现象。

3.3. 轮转调度（RR）

每个进程被分配一个时间片，时间片耗尽后，强制切换到下一个进程。
适合时间共享系统，能够提高响应时间，但频繁的上下文切换可能带来额外开销。

3.4. 优先级调度

根据进程的优先级分配 CPU，优先级高的进程先执行。
可能导致低优先级进程的饥饿现象，需要结合老化机制。

3.5. 多级反馈队列

将进程分配到多个队列中，按照不同的优先级调度。
适应性强，能够动态调整进程的优先级，以实现更公平的调度。

4. 调度过程

进程状态转换：当进程被创建、完成或被阻塞时，操作系统会更新其状态。
调度决策：调度程序根据当前进程的状态和调度算法选择下一个执行的进程。
上下文切换：执行上下文切换，保存当前进程的状态，恢复新进程的状态。
CPU 执行：CPU 开始执行新选中的进程。

5. 调度队列

操作系统通常维护多个队列来管理进程状态，包括：

就绪队列：存放已准备好运行但尚未分配 CPU 的进程。
阻塞队列：存放等待某些事件（如 I/O 操作完成）的进程。
执行队列：当前正在运行的进程。

6. 调度策略

抢占式调度：允许高优先级的进程抢占低优先级进程的 CPU 时间。
非抢占式调度：一旦分配 CPU，进程会继续运行直到完成或主动释放 CPU。

CPU 调度是操作系统中至关重要的组成部分，通过不同的调度算法和策略，能够有效地管理和优化系统资源，提升系统的响应速度和运行效率。选择合适的调度算法取决于具体的应用场景和性能要求。因为锁而放弃执行的线程或者进程，虽然能够释放一定的cpu资源，但却会给人一中被卡住的感觉。所以，在设计多任务的时候需要注意他们的轻重缓急。

7. 如下问题

音视频SDK四个线程回调视频帧，ui线程(主线程)将视频帧处理后渲染在QT窗体上。四路流都加了鱼眼相机去畸变的逻辑后，发现cpu接近100%。

如何优化

降低CPU使用率可以从以下几个方面入手：

适当减少线程数量：子线程数量的减少可以减轻CPU的负担，但这也取决于程序实现的具体情况。如果你的程序中子线程的数量本来就比较少，减少子线程数量可能不会显著降低CPU使用率。
减少计算量：可以通过优化算法，减少计算量，从而减少CPU的使用率。比如，在鱼眼畸变处理中，可以通过调整算法参数、选用更高效的算法等方式，来减少计算量。
使用硬件加速：可以使用GPU等硬件加速技术，来将一部分计算任务交给硬件进行处理，从而减轻CPU的负担，降低CPU使用率。
优化程序设计：可以通过优化程序设计，尽量减少程序的不必要运算和内存分配等操作，从而减少CPU的使用率。
使用异步处理：可以将任务拆分为多个子任务，使用多线程异步处理，将计算任务分散到多个线程中执行，减少单个线程的计算负担。
降低图像分辨率：可以降低图像分辨率，减少需要处理的数据量，从而降低CPU的使用率。

需要根据具体的应用场景和具体的程序实现来选择合适的优化方法，以达到降低CPU使用率的目的。