【操作系统】CPU调度和死锁
高级调度又称为作业调度或长程调度，其主要功能是根据作业控制块中的信息，审查系统能否满足用户作业的资源需求，以及按照一定的算法，从外存的后备队列中选取某些作业调入内存，并为它们创建进程、分配必要的资源。然后再将新创建的进程插入就绪队列，准备执行。它的调度对象是作业。作业是一个比程序更为广泛的概念，它不仅包含了通常的程序和数据，而且还应配有一份作业说明书，系统根据该说明书来对程序的运行进行控制。在批处理系统中，是以作业为基本单位从外存调入内存的。为了管理和调度作业，在多道批处理系统中为每个作业设置了一个作业控制块JCB，它是作业在系统中存在的标志，其中保存了系统对作业进行管理和调度所需的全部信息。
低级调度称为进程调度或短程调度，它所调度的对象是进程(或内核进程）。低级调度用于决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机，然后再由分派程序执行把处理机分配给该进程的具体操作。低级调度的主要功能有保存处理机的现场信息、按某种算法选取进程、把处理器分配给进程。有两种进程调度的方式：非抢占式调度和抢占式调度。
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。非抢占式调度优点实现简单，开销小。缺点无法满足紧急任务。
抢占方式的优点是，可以防止一个长进程长时间占用处理机，能为大多数进程提供更公平的服务，特别是能满足对响应时间有着较严格要求的实时任务的需求。但抢占方式比非抢占方式调度所需付出的开销较大。抢占式调度基于的原则：优先权原则、短作业有限原则、时间片原则。
中级调度又称中程调度。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。中级调度实际上就是存储器管理中的对换功能。
选择调度方式和算法的准则有面向用户的和面向系统的。
面向用户的准则：
- 周转时间最短。是指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔(称为作业周转时间)。它包括四部分时间：作业在外存后备队列上等待(作业)调度的时间，进程在就绪队列上等待进程调度的时间，进程在CPU 上执行的时间，以及进程等待I/O 操作完成的时间。系统则希望平均周转时间最短，可使得大多数用户满意。
- 响应时间快。是从用户通过键盘提交一个请求开始，直至系统首次产生响应为止的时间。
- 截止时间的保证。
- 优先权准则。
面向系统的准则：
- 系统吞吐量高。
- 处理机利用率好。
- 各类资源的平衡利用。
调度算法
在OS中调度的实质是一种资源分配，因而调度算法是指：根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法。
先来先服务（FCFS）调度算法
FCFS 算法比较有利于长作业(进程)，而不利于短作业(进程)。
短作业(进程)优先调度算法
该算法对长作业不利，未考虑作业的紧迫程度。
高优先权优先调度算法
为了照顾紧迫型作业，使之在进入系统后便获得优先处理，引入了最高优先权优先(FPF)调度算法。分为非抢占式和抢占式。
优先权的类型分为静态优先权和动态优先权。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。静态优先权根据进程类型、进程对资源的需求和用户要求确定。静态优先权法简单易行，系统开销小，但不够精确。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。
由上式可以看出：
- (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。
时间片轮转法
在时间片轮转算法中，时间片的大小对系统性能有很大的影响，如选择很小的时间片将有利于短作业，因为它能较快地完成，但会频繁地发生中断、进程上下文的切换，从而增加系统的开销；反之，如选择太长的时间片，使得每个进程都能在一个时间片内完成，时间片轮转算法便退化为FCFS算法，无法满足交互式用户的需求。
多级反馈队列调度算法
多级反馈队列算法可以很好的处理交互作用，短作业和长作业。
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。
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。
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。
实时调度
实时调度需要的信息：就绪时间、开始截止时间和完成截止时间、处理时间、资源要求、优先级。
假定系统中有m 个周期性的硬实时任务，它们的处理时间可表示为Ci，周期时间表示为Pi，则在单处理机情况下，必须满足下面的限制条件：
假定系统中的处理机数为N，则应将上述的限制条件改为：
实时调度通常采用采用抢占式调度机制，具有快速切换机制（对外部中断的快速响应能力、快速的任务分派能力）。
实时调度算法的分类如下：
常见的实时调度算法有：最早截止时间优先即EDF(Earliest Deadline First)算法、最低松弛度优先即LLF(Least Laxity First)算法。松弛程度就是任务紧急程度。
死锁
死锁(Deadlock)是指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。
产生死锁的原因：
- 竞争资源：竞争非剥夺资源、临时性资源都可能导致死锁。资源分为可剥夺资源（指某进程在获得这类资源后，该资源可以再被其他进程或系统剥夺，CPU和主存均属于可剥夺性资源。）和非可剥夺资源（当系统把这类资源分配给某进程后，再不能强行收回，只能在进程用完后自行释放，如磁带机、打印机等。）。资源也可分为永久性资源（可以重复使用的资源）和临时资源（指由一个进程产生，被另一进程使用一短暂时间后便无用的资源）。
- 进程间推进顺序非法。
产生死锁的必要条件：
- 互斥条件：进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。
- 请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，又提出了新的资源请求，但是该资源已经被其他进程占有，此时请求进程阻塞。
- 不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
- 环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程—资源的环形链。
处理死锁的方法：
- 预防死锁。
- 避免死锁。
- 检测死锁。
- 解除死锁。
预防死锁
该方法是通过设置某些限制条件，去破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个条件，来预防发生死锁。由于所施加的限制条件往往太严格，因而可能会导致系统资源利用率和系统吞吐量降低。预防死锁的方法是使四个必要条件中的第2、3、4 个条件之一不能成立，来避免发生死锁。至于必要条件1互斥条件，因为它是由设备的固有特性所决定的，不仅不能改变，还应加以保证。
破坏请求和保持条件：系统规定所有进程在开始运行之前，都必须一次性地申请其在整个运行过程所需的全部资源。其优点是简单、易于实现且很安全。缺点为资源被严重浪费和使进程延迟运行。在允许的情况（较为简单的情况）下也可以一个一个申请，即申请一个用完就释放。
破坏不剥夺条件：当一个已经保持了某些资源的进程，再提出新的资源请求而不能立即得到满足时，必须释放它已经保持了的所有资源，待以后需要时再重新申请。这延长了进程的周转时间，增加了系统开销，降低了系统吞吐量。
破坏环路等待条件：这种方法中规定，系统将所有资源按类型进行线性排队，并赋予不同的序号。所有进程对资源的请求必须严格按照资源序号递增的次序提出，这样，在所形成的资源分配图中，不可能再出现环路。这限制了新类型设备的增加，造成资源浪费，按规定次序申请的方法，必然会限制用户简单、自主地编程。
避免死锁
并不须事先采取各种限制措施去破坏产生死锁的四个必要条件，而是在资源的动态分配过程中，用某种方法去防止系统进入不安全状态，从而避免发生死锁。由于施加较弱的限制条件，便可获得较高的资源利用率及系统吞吐量，但在实现上有一定的难度。系统的状态分为安全状态和不安全状态，只要能使系统始终都处于安全状态，便可避免发生死锁。允许进程动态地申请资源，但系统在进行资源分配之前，应先计算此次资源分配的安全性。若此次分配不会导致系统进入不安全状态，则将资源分配给进程；否则，令进程等待。
所谓安全状态，是指系统能按某种进程顺序(P1，P2，…，Pn)(称〈P1，P2，…，Pn〉序列为安全序列)，来为每个进程Pi分配其所需资源，Pi执行结束后释放资源可供Pi+1使用，直至满足每个进程对资源的最大需求，使每个进程都可顺利地完成。如果系统无法找到这样一个安全序列，则称系统处于不安全状态。
使用银行家算法可以避免死锁。
算法数据结构：
可用资源数组Available： 数组大小m表示有m类资源，数组元素表示系统中某类资源可用数目。
最大需求矩阵Max: n×m 的矩阵，定义了系统中n个进程中的每一个进程对m类资源的最大需求。
分配矩阵Allocation： n×m 的矩阵，定义了每一个进程当前已分配给每一类资源数。
需求矩阵Need: n×m的矩阵，用以表示每一个进程还需要的各类资源数。
进程i的某一次请求资源数组Request_i： 大小为m，元素为本次要申请每类资源的数目。
工作数组Work： 表示系统当前可提供的各类资源数目，它含有m个元素，在执行安全算法开始时，Work:=Available。
数组Finish： 它表示系统是否有足够的资源分配给进程，使之运行完成，大小为n。开始时先做Finish[i]:=false；当有足够资源分配给进程时，再令Finish[i]:=true。
算法步骤：
- 如果Request i[j]≤Need[i,j]，便转向步骤(2)；否则认为出错，因为它所需要的资源数已超过它所宣布的最大值。
- 如果Requesti[j]≤Available[j]，便转向步骤(3)；否则，表示尚无足够资源，Pi 须等待。
- 系统试探着把资源分配给进程P i，并修改下面数据结构中的数值：
4.系统执行安全性算法，检查此次资源分配后系统是否处于安全状态。若安全，才正式将资源分配给进程Pi，以完成本次分配；否则，将本次的试探分配作废，恢复原来的资源分配状态，让进程Pi等待。
安全性算法步骤：
- 设置两个向量：Work:=Available，Finish[i]:=false；
-
从进程集合中找到一个能满足下述条件的进程：
① Finish[i]=false；② Need[i,j]≤Work[j]（系统的资源可以满足该进程）；若找到，执行步骤3，否则，执行步骤4。 - 当进程Pi获得资源后，可顺利执行，直至完成，并释放出分配给它的资源，故应执行：Work[j]:= Work[j]+Allocation[i,j]（此时假设Pi已经执行完毕）；Finish[i]:=true；go to step 2；
- 如果所有进程的Finish[i]=true都满足，则表示系统处于安全状态；否则，系统处于不安全状态。
检测死锁
并不须事先采取任何限制性措施，也不必检查系统是否已经进入不安全区，而是允许系统在运行过程中发生死锁。但可通过系统所设置的检测机构，及时地检测出死锁的发生，并精确地确定与死锁有关的进程和资源； 然后，采取适当措施，从系统中将已发生的死锁清除掉。检测的前提是系统保存有关资源的请求和分配信息。
死锁定理：S（资源分配图）状态为死锁状态的充分条件是：当且仅当S状态的资源分配图是不可完全简化的。
资源分配图
(1) 把N 分为两个互斥的子集，即一组进程结点P={p1，p2，…，pn}和一组资源结点 R={r1，r2，…，rn}，N=P∪R。(2) 凡属于E中的一个边e∈E，都连接着P中的一个结点和R中的一个结点，e={pi，rj}是资源请求边，由进程pi指向资源rj，它表示进程pi请求一个单位的rj资源。e={rj，pi}是资源分配边，由资源rj指向进程pi，它表示把一个单位的资源rj分配给进程pi。
资源分配图简化
- 在资源分配图中，找出一个既不阻塞又非独立的进程结点Pi。在顺利的情况下，Pi可获得所需资源而继续运行，直至运行完毕，再释放其所占有的全部资源，这相当于消去pi所求的请求边和分配边，使之成为孤立的结点。将图a中p1的两个分配边和一个请求边消去，便形成图(b)所示的情况。
- p1释放资源后，便可使p2获得资源而继续运行，直至p2完成后又释放出它所占有的全部资源，形成图(c)所示的情况。
- 在进行一系列的简化后，若能消去图中所有的边，使所有的进程结点都成为孤立结点，则称该图是可完全简化的；若不能通过任何过程使该图完全简化，则称该图是不可完全简化的。
解除死锁
与检测死锁相配套的一种措施。常采用解除死锁的两种方法是：
- (1) 剥夺资源。从其它进程剥夺足够数量的资源给死锁进程，以解除死锁状态。
- (2) 撤消进程。最简单的撤消进程的方法是使全部死锁进程都夭折掉；稍微温和一点的方法是按照某种顺序逐个地撤消进程，直至有足够的资源可用，使死锁状态消除为止。
在出现死锁时，可采用各种策略来撤消进程。例如，为解除死锁状态所需撤消的进程数目最小；或者，撤消进程所付出的代价最小等。
