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操作系统 · 02-process

多处理机调度

重要度 ★★★ 多处理机调度负载均衡多核调度
速查
多处理机调度决定进程/线程在多 CPU 上的分配：SMP（每 CPU 独立调度）是主流；处理器亲和性利用缓存局部性，负载均衡（推/拉迁移）与之存在矛盾。

速查 ▾

项目值
定义在多 CPU 系统中将进程/线程分配到各处理器上
两种模型非对称多处理(AMP)、对称多处理(SMP)
SMP 主流每个 CPU 运行自己的调度程序（独立调度）
关键问题负载均衡、处理器亲和性、缓存一致性

核心概念 ▾

多处理机调度是在拥有多颗 CPU（或多核）的系统中，决定哪个进程/线程在哪颗 CPU 上执行的问题。

两种多处理机模型：

  1. 非对称多处理（AMP）：一个主处理器负责调度，其他处理器执行。简单但主处理器成为瓶颈
  2. 对称多处理（SMP）：每个 CPU 运行自己的调度程序，从公共/私有就绪队列中选取进程。主流方案

SMP 调度策略：

  • 公共就绪队列：所有 CPU 共享一个就绪队列，CPU 空闲时从队列中取进程。简单但可能有竞争
  • 私有就绪队列：每个 CPU 有自己的就绪队列。无竞争，但需要负载均衡

处理器亲和性（Processor Affinity）：

  • 软亲和性：调度器尽量让进程在同一 CPU 上运行（利用缓存），但可以迁移
  • 硬亲和性：进程绑定到特定 CPU，不允许迁移

负载均衡：

  • 推迁移（Push Migration）：周期性检查各 CPU 负载，将进程从重载 CPU 推到轻载 CPU
  • 拉迁移（Pull Migration）：空闲 CPU 从忙碌 CPU 的队列中拉取进程

关键性质 ▾

对比项公共就绪队列私有就绪队列
队列数量1 个（共享）每个 CPU 一个
负载均衡自动（共享队列）需要额外机制
竞争问题有（需加锁）无
实现复杂度简单复杂

常见考法 ▾

考法解题套路
AMP vs SMPAMP 有主 CPU 瓶颈，SMP 是主流
处理器亲和性软亲和性（尽量不迁移）vs 硬亲和性（不允许迁移）
负载均衡推迁移（主动推送）vs 拉迁移（空闲 CPU 拉取）
为什么需要亲和性利用 CPU 缓存（热数据在缓存中），迁移会导致缓存失效

易错点 ▾

注意
  • SMP 是对称多处理——每个 CPU 地位平等，都有自己的调度器
  • 处理器亲和性的目的是利用 CPU 缓存，不是"绑定 CPU"
  • 负载均衡和处理器亲和性是矛盾的——迁移进程会破坏亲和性
  • 公共就绪队列不需要负载均衡（所有 CPU 从同一队列取进程），但需要加锁
  • 多核 CPU 和多 CPU 的调度原理相同——每个核视为一个独立处理器

核心结论 ▾

必背
  1. SMP 是现代多处理机系统的主流模型，每个 CPU 独立调度
  2. 处理器亲和性利用缓存局部性提高性能，减少缓存失效
  3. 负载均衡是私有队列方案必须解决的问题，与亲和性存在矛盾
  4. 公共队列简单但有锁竞争，私有队列无竞争但需负载均衡
  5. 多核 CPU 的出现使多处理机调度成为每个 OS 都要面对的问题

记忆卡片 ▾

AMP 和 SMP 的核心区别？
AMP 有专用主处理器负责调度，SMP 每个 CPU 独立调度（地位平等）。
什么是处理器亲和性？
调度器尽量让进程在同一 CPU 上运行，利用 CPU 缓存提高性能。
推迁移和拉迁移的区别？
推：重载 CPU 主动推进程给轻载 CPU；拉：空闲 CPU 主动从忙碌 CPU 拉取进程。
公共就绪队列的优缺点？
优点：自动负载均衡、简单；缺点：队列需加锁，有竞争。
负载均衡和亲和性的矛盾？
负载均衡需迁移进程，迁移会破坏亲和性（缓存失效）。

交互动画 · 推/拉负载均衡 ▾

CPU A（重载） CPU B（轻载）
点击「推迁移」把 CPU A 上进程迁移到轻载的 CPU B
注意：迁移会破坏处理器亲和性（CPU 缓存失效）
私有就绪队列方案下，SMP 通过推/拉迁移实现负载均衡；公共队列则无需此机制但需加锁。

相关知识点

scheduling-algorithm-comparison process-and-thread

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