操作系统第3章处理机调度与死锁

第三章处理机调度与死锁第三章处理机调度与死锁3.1处理机调度的基本概念3.2调度算法3.3实时调度3.4多处理机系统中的调度3.5产生死锁的原因和必要条件3.6预防死锁的方法3.7死锁的检测与解除第三章处理机调度与死锁3.1处理机调度的基本概念在多道程环境下，进程数目往往多于处理机数目，致使它们争用处理机。这就要求系统能按某种算法，动态地把处理机分配给就绪队列中的一个进程，使之执行。分配处理机的任务是由进程调度程序完成的。它是操作系统设计的中心问题之一。第三章处理机调度与死锁1.高级、中级和低级调度处理机是计算机系统中的重要资源处理机调度算法对整个计算机系统的综合性能指标有重要影响可把处理机调度分成三个层次：高级调度中级调度低级调度第三章处理机调度与死锁•高级调度也称为作业调度或宏观调度高级调度的时间尺度通常是分钟、小时或天•中级调度涉及进程在内外存间的交换，从存储器资源管理的角度来看，把进程的部分或全部换出到外存上，可为当前运行进程的执行提供所需内存空间，将当前进程所需部分换入到内存。指令和数据必须在内存里才能被处理机直接访问•低级调度也称微观调度，从处理机资源分配的角度来看，处理机需要经常选择就绪进程或线程进入运行状态，低级调度的时间尺度通常是毫秒级的。由于低级调度算法的频繁使用，要求在实现时做到高效第三章处理机调度与死锁3.1处理机调度的层次3.1.1高级调度1.高级调度(HighScheduling)在每次执行作业调度时，都须做出以下两个决定。1)接纳多少个作业2)接纳哪些作业第三章处理机调度与死锁•多道批处理操作系统具有独立的作业管理模块，必须像进程管理一样为每一个作业建立作业控制块（JCB）。•JCB通常是在批作业进入系统时，由Spooling系统建立的，它是作业存在于系统的标志，作业撤离时，JCB也被撤销。第三章处理机调度与死锁2.低级调度(LowLevelScheduling)1)非抢占方式(Non-preemptiveMode)在采用非抢占调度方式时，可能引起进程调度的因素可归结为这样几个：①正在执行的进程执行完毕，或因发生某事件而不能再继续执行；②执行中的进程因提出I/O请求而暂停执行；③在进程通信或同步过程中执行了某种原语操作，如P操作(wait操作)、Block原语、Wakeup原语等。这种调度方式的优点是实现简单、系统开销小，适用于大多数的批处理系统环境。但它难以满足紧急任务的要求——立即执行，因而可能造成难以预料的后果。显然，在要求比较严格的实时系统中，不宜采用这种调度方式。第三章处理机调度与死锁2)抢占方式(PreemptiveMode)(1)优先权原则。(2)短作业(进程)优先原则。(3)时间片原则。第三章处理机调度与死锁3.中级调度(Intermediate-LevelScheduling)中级调度又称中程调度(Medium-TermScheduling)。引入中级调度的主要目的，是为了提高内存利用率和系统吞吐量。为此，应使那些暂时不能运行的进程不再占用宝贵的内存资源，而将它们调至外存上去等待，把此时的进程状态称为就绪驻外存状态或挂起状态。当这些进程重又具备运行条件、且内存又稍有空闲时，由中级调度来决定把外存上的哪些又具备运行条件的就绪进程，重新调入内存，并修改其状态为就绪状态，挂在就绪队列上等待进程调度。第三章处理机调度与死锁3.1.2调度队列模型1.仅有进程调度的调度队列模型图3-1仅具有进程调度的调度队列模型就绪队列阻塞队列进程调度CPU进程完成等待事件交互用户事件出现时间片完第三章处理机调度与死锁2.具有高级和低级调度的调度队列模型图3-2具有高、低两级调度的调度队列模型就绪队列进程调度CPU进程完成等待事件1作业调度事件1出现时间片完等待事件2事件2出现……等待事件n事件n出现后备队列……第三章处理机调度与死锁(1)就绪队列的形式。(2)设置多个阻塞队列。图3-2示出了具有高、低两级调度的调度队列模型。该模型与上一模型的主要区别在于如下两个方面。第三章处理机调度与死锁3.同时具有三级调度的调度队列模型图3-3具有三级调度时的调度队列模型就绪队列进程调度CPU就绪，挂起队列中级调度阻塞，挂起队列阻塞队列等待事件进程完成时间片完作业调度交互型作业后备队列批量作业挂起事件出现事件出现第三章处理机调度与死锁3.1.3选择调度方式和调度算法的若干准则1.面向用户的准则(1)周转时间短。可把平均周转时间描述为：iiiTnT11niSiiTTnW11作业的周转时间T与系统为它提供服务的时间TS之比，即W=T/TS，称为带权周转时间，而平均带权周转时间则可表示为:第三章处理机调度与死锁2)响应时间•交互式进程从提交一个请求(命令)到接收到响应之间的时间间隔称响应时间。•使交互式用户的响应时间尽可能短，或尽快处理实时任务。•这是分时系统和实时系统衡量调度性能的一个重要指标。第三章处理机调度与死锁(2)响应时间快。(3)截止时间的保证。(4)优先权准则。第三章处理机调度与死锁2.(1)系统吞吐量高。(2)处理机利用率好。(3)各类资源的平衡利用。第三章处理机调度与死锁3.2调度算法3.2.1先来先服务和短作业(进程)优先调度算法1.先来先服务调度算法第三章处理机调度与死锁图3-4FCFS和SJF调度算法的性能第三章处理机调度与死锁2.短作业(进程)优先调度算法短作业(进程)优先调度算法SJ(P)F，是指对短作业或短进程优先调度的算法。它们可以分别用于作业调度和进程调度。短作业优先(SJF)的调度算法，是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运行。而短进程优先(SPF)调度算法，则是从就绪队列中选出一估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它，使它立即执行并一直执行到完成，或发生某事件而被阻塞放弃处理机时，再重新调度。第三章处理机调度与死锁SJ(P)F(1)该算法对长作业不利，如作业C的周转时间由10增至16，其带权周转时间由2增至3.1。更严重的是，如果有一长作业(进程)进入系统的后备队列(就绪队列)，由于调度程序总是优先调度那些(即使是后进来的)短作业(进程)，将导致长作业(进程)长期不被调度。(2)该算法完全未考虑作业的紧迫程度，因而不能保证紧迫性作业(进程)会被及时处理。(3)由于作业(进程)的长短只是根据用户所提供的估计执行时间而定的，而用户又可能会有意或无意地缩短其作业的估计运行时间，致使该算法不一定能真正做到短作业优先调度。第三章处理机调度与死锁3.2.2高优先权优先调度算法1.优先权调度算法的类型1)非抢占式优先权算法在这种方式下，系统一旦把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程后，该进程便一直执行下去，直至完成；或因发生某事件使该进程放弃处理机时，系统方可再将处理机重新分配给另一优先权最高的进程。这种调度算法主要用于批处理系统中；也可用于某些对实时性要求不严的实时系统中。第三章处理机调度与死锁2)在这种方式下，系统同样是把处理机分配给优先权最高的进程，使之执行。但在其执行期间，只要又出现了另一个其优先权更高的进程，进程调度程序就立即停止当前进程(原优先权最高的进程)的执行，重新将处理机分配给新到的优先权最高的进程。因此，在采用这种调度算法时，是每当系统中出现一个新的就绪进程i时，就将其优先权Pi与正在执行的进程j的优先权Pj进行比较。如果Pi≤Pj，原进程Pj便继续执行；但如果是Pi＞Pj,则立即停止Pj的执行，做进程切换，使i进程投入执行。显然，这种抢占式的优先权调度算法，能更好地满足紧迫作业的要求，故而常用于要求比较严格的实时系统中，以及对性能要求较高的批处理和分时系统中。第三章处理机调度与死锁2.优先权的类型1)静态优先权是在创建进程时确定的，且在进程的整个运行期间保持不变。一般地，优先权是利用某一范围内的一个整数来表示的，例如，0~7或0~255中的某一整数，又把该整数称为优先数。只是具体用法各异：有的系统用“0”表示最高优先权，当数值愈大时，其优先权愈低；而有的系统恰恰相反。第三章处理机调度与死锁(1)进程类型。(2)进程对资源的需求。(3)用户要求。第三章处理机调度与死锁2)动态优先权是指，在创建进程时所赋予的优先权，是可以随进程的推进或随其等待时间的增加而改变的，以便获得更好的调度性能。例如，我们可以规定，在就绪队列中的进程，随其等待时间的增长，其优先权以速率a提高。若所有的进程都具有相同的优先权初值，则显然是最先进入就绪队列的进程，将因其动态优先权变得最高而优先获得处理机，此即FCFS算法。若所有的就绪进程具有各不相同的优先权初值，那么，对于优先权初值低的进程，在等待了足够的时间后，其优先权便可能升为最高，从而可以获得处理机。当采用抢占式优先权调度算法时，如果再规定当前进程的优先权以速率b下降，则可防止一个长作业长期地垄断处理机。第三章处理机调度与死锁3.高响应比优先调度算法要求服务时间要求服务时间等待时间优先权优先权的变化规律可描述为：由于等待时间与服务时间之和，就是系统对该作业的响应时间，故该优先权又相当于响应比RP。据此，又可表示为：要求服务时间响应时间要求服务时间要求服务时间等待时间优先权第三章处理机调度与死锁(1)如果作业的等待时间相同，则要求服务的时间愈短，其优先权愈高，因而该算法有利于短作业。(2)当要求服务的时间相同时，作业的优先权决定于其等待时间，等待时间愈长，其优先权愈高，因而它实现的是先来先服务。(3)对于长作业，作业的优先级可以随等待时间的增加而提高，当其等待时间足够长时，其优先级便可升到很高，从而也可获得处理机。第三章处理机调度与死锁3.2.3基于时间片的轮转调度算法1.在早期的时间片轮转法中，系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则，排成一个队列，每次调度时，把CPU分配给队首进程，并令其执行一个时间片。时间片的大小从几ms到几百ms。当执行的时间片用完时，由一个计时器发出时钟中断请求，调度程序便据此信号来停止该进程的执行，并将它送往就绪队列的末尾；然后，再把处理机分配给就绪队列中新的队首进程，同时也让它执行一个时间片。这样就可以保证就绪队列中的所有进程，在一给定的时间内，均能获得一时间片的处理机执行时间。第三章处理机调度与死锁2.多级反馈队列调度算法(1)应设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同，在优先权愈高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就愈小。例如，第二个队列的时间片要比第一个队列的时间片长一倍，……，第i+1个队列的时间片要比第i个队列的时间片长一倍。图3-5是多级反馈队列算法的示意。第三章处理机调度与死锁图3-5多级反馈队列调度算法就绪队列1就绪队列2就绪队列3就绪队列nS1S2S3至CPU至CPU至CPU至CPU(时间片：S1＜S2＜S3)第三章处理机调度与死锁(2)当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可准备撤离系统；如果它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾，再同样地按FCFS原则等待调度执行；如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成，再依次将它放入第三队列，……，如此下去，当一个长作业(进程)从第一队列依次降到第n队列后，在第n队列中便采取按时间片轮转的方式运行。第三章处理机调度与死锁(3)仅当第一队列空闲时，调度程序才调度第二队列中的进程运行；仅当第1~(i-1)队列均空时，才会调度第i队列中的进程运行。如果处理机正在第i队列中为某进程服务时，又有新进程进入优先权较高的队列(第1~(i-1)中的任何一个队列)，则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机，即由调度程序把正在运行的进程放回到第i队列的末尾，把处理机分配给新到的高优先权进程。第三章处理机调度与死锁3.多级反馈队列调度算法的