Lecture Operating Systems - Chapter 5: CPU Scheduling

Trong lĩnh vực điện toán hiện đại, việc quản lý tài nguyên hiệu quả là tối quan trọng để đảm bảo hiệu suất và khả năng phản hồi tối ưu của hệ thống. Chương "Lập lịch CPU" này đi sâu vào một trong những khía cạnh quan trọng nhất của hệ điều hành: phân bổ chiến lược Bộ xử lý trung tâm (CPU) giữa các tiến trình cạnh tranh. Lập lịch CPU tác động trực tiếp đến các yếu tố như thông lượng hệ thống, thời gian hoàn thành và thời gian phản hồi mà người dùng cảm nhận được. Bằng cách kiểm tra kỹ lưỡng các mô hình lập lịch khác nhau và các tiêu chí lập lịch liên quan, bài viết này cung cấp một sự hiểu biết cơ bản cần thiết để phát triển các môi trường tính toán mạnh mẽ và hiệu quả, nhấn mạnh vai trò trung tâm của nó trong thiết kế và vận hành hệ thống hiện đại.

Sinh viên và chuyên gia trong lĩnh vực khoa học máy tính và kỹ thuật phần mềm, đặc biệt là những người đang nghiên cứu thiết kế hệ điều hành, phát triển kernel và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

Chương này khám phá toàn diện các nguyên tắc cơ bản và các thuật toán đa dạng được sử dụng trong lập lịch CPU, một nền tảng của thiết kế hệ điều hành hiệu quả. Nó bắt đầu bằng việc thiết lập các khái niệm cơ bản như chu kỳ CPU-I/O burst và sự khác biệt giữa lập lịch không độc quyền và độc quyền, bao gồm vai trò của bộ điều phối và độ trễ điều phối. Một trọng tâm chính được đặt vào các tiêu chí lập lịch khác nhau—cụ thể là sử dụng CPU, thông lượng, thời gian hoàn thành, thời gian chờ và thời gian phản hồi—và các mục tiêu tối ưu hóa liên quan đến từng tiêu chí. Sau đó, cuộc thảo luận giới thiệu một cách có hệ thống một số thuật toán lập lịch nổi bật.

Thuật toán First-Come, First-Served (FCFS) được trình bày như một cơ sở đơn giản, với những hạn chế của nó, chẳng hạn như hiệu ứng convoy, được phân tích kỹ lưỡng. Chương sau đó chuyển sang thuật toán Shortest-Job-First (SJF), nhấn mạnh tính tối ưu của nó trong việc giảm thiểu thời gian chờ trung bình, đồng thời giải quyết thách thức thực tế của việc dự đoán độ dài của CPU burst tiếp theo thông qua các kỹ thuật như trung bình mũ. Biến thể độc quyền của nó, Shortest-Remaining-Time-First (SRTF), cũng được trình bày chi tiết. Cuối cùng, thuật toán lập lịch Round Robin (RR) được kiểm tra, nhấn mạnh tầm quan trọng của định lượng thời gian và các hàm ý của nó đối với chi phí chuyển đổi ngữ cảnh và khả năng phản hồi của hệ thống. Ngoài các thuật toán cốt lõi này, chương còn phác thảo các cân nhắc về lập lịch luồng, lập lịch đa bộ xử lý và lập lịch CPU thời gian thực, cùng với các ví dụ thực tế từ các hệ điều hành được sử dụng rộng rãi như Windows, Linux và Solaris, đỉnh điểm là các phương pháp đánh giá thuật toán toàn diện và phát triển ứng dụng.