计算机操作系统笔记（3）

第三章处理机调度与死锁

3.1处理机调度的层次和调度算法的目标

处理机的调度层次

• 高级调度/作业调度
  根据某种算法，决定将外存上处于后备队列的哪几个作业调入内存，然后为其分配资源
  主要用于多道批处理系统中，在分时和实时系统不设置高级调度
• 低级调度/进程调度
  调度对象是进程（或内核级线程）
  有抢占和非抢占方式
  三种调度中最重要的一种，多道批/分时/实时系统都必有
• 中级调度/内存调度
  作用：提高内存利用率和系统吞吐量

调度队列模型

1. 仅有进程调度的调度队列模型
   
2. 具有高级和低级调度的调度队列模型
   与模型1的区别：
   就绪队列的形式
   设置多个阻塞队列
   
3. 同时具有三级调度的调度队列模型
   
   （实际很少用，更多是在虚拟内存中唤入唤出）

选择调度方式和算法的若干准则

面向用户的准则：

• 周转时间短（常用于批处理系统）
  概念：作业从提交到完成的时间
  分为：驻外等待时间、驻内等待时间、执行时间、阻塞时间
  平均周转时间：$T=\frac{1}{n}[\sum_{i=1}^{n}T_{i}]$
  平均带权：$W=\frac{1}{n}[\sum_{i=1}^{n}\frac{T_{i}}{T_{s}}]$（$T_{i}$是作业的周转时间，$T_{s}$是系统为它提供服务的时间）
  $T,W$越小越好
• 响应时间快：（对交互性作业）
  概念：键盘首次提交请求到首次响应的时间
  包括：输入传送时间、处理时间、响应传送时间
• 截止时间的保证（特别是实时系统）
• 优先权准则（即需要抢占调度）

面向系统准则：

• 吞吐量高（特别于批处理）：单位时间完成的作业数
• 处理机利用率高：（因CPU贵，特别于大中型多用户系统）
• 各类资源的平衡利用

3.2&3.3调度算法

FCFS、SJF（可用于作业/进程调度）

• FCFS：先来先服务调度算法
  按照作业到达的先后顺序来进行调度
  考虑等待时间最长的作业
  特点：
  简单，有利于长时间作业
• SJF：短作业优先调度算法
  按照作业的长短来计算优先级（越短优先级越高）
  考虑运行时间最长的作业
  特点：
  平均周转时间比FCFS快
  对长作业不利，有可能得不到服务（饥饿）
  估计时间不易确定

高优先权优先调度算法

• 优先权调度算法类型（多用于进程，可用于作业）

1. 非抢占式：执行某进程时除非完成或阻塞否则不会让出处理机
2. 抢占式：允许按某种原则中断某个正在执行的进程将处理机分配给另一进程（包括：优先权原则、短进程优先原则、时间片原则）
   （非抢占式和抢占式都无法解决饥饿问题）

• 优先权类型（多用于进程，可用于作业）

1. 静态优先权：进程优先权在整个运行期不变
   确定优先权依据：进程类型、进程对资源的需求、根据用户需求
   特点：简单，但低优先权作业可能长期不被调度
2. 动态优先权：进程优先级随进程推进或等待时间的增加而改变
   利用响应比Rp作为优先权
   优：长短兼顾 缺：要计算Rp

• 高响应比优先算法（主要用于作业调度）
  响应比(Rp) = $\frac{等待时间tw+要求服务时间ts}{要求服务时间ts}$（$\frac{响应时间}{要求服务时间}$）
  特点：
  短作业RP大（RP大优先服务）
  ts相同的进程间相当于FCFS
  长作业等待一段时间仍能得到服务

基于时间片的轮转调度算法（用于进程调度）

• 时间片轮转算法
  时间片大小的确定（过大退化为FCFS，过小系统开销过大）
  系统对响应时间的要求（T=nq）
  就绪队列中进程的数目
  系统的处理能力：（应保证一个时间片处理完常 用命令）
• 多级反馈队列调度
  设置多个就绪队列，每个队列的优先级不同（第一最高，后面逐渐降低）
  每个队列采取FCFS算法
  按队列优先级调度，优先级高的时间片小
  特点：长、短作业兼顾，有较好的响应时间（短时间作业一次完成、中型作业周转时间不长、大型作业不会长期不处理）
  

n道批处理系统，一次最多能将n个作业调度到内存中，其余作业被阻塞在内存之外
当前，在系统处理任务时，不考虑并发，处理机一次只能处理一个进程（通常问题中也是一个作业一个进程），其它进程则在内存中等待
进程处理时可被打断被别的优先级更高的作业/进程抢占执行，被打断的进程则在内存中等待

3.4实时调度

实现实时调度的基本条件

• 提供必要的信息
  包括就绪时间、开始截止时间和完成截止时间、处理时间、资源要求、优先级
  （开始截止时间和完成截止时间是很多情况下是等价的）
• 系统处理能力强
  单处理机情况下，满足下列条件才可调度：
  $\sum_{i=1}^{m}\frac{C_{i}}{P_{i}}\leq 1$（$C_{i}$为处理时间，$P_{i}$为周期时间，$N$为处理机数）
  提高系统处理能力的途径：增强处理能力（减少每个任务的处理时间$C_{i}$减小）、采用多处理机系统（$N$增大）
  $\sum_{i=1}^{m}\frac{C_{i}}{P_{i}}\leq N$
• 采用抢占调度方式
• *具有快速切换机制

实时调度算法的分类

分为非抢占式调度算法、抢占式调度算法

• 非抢占式调度算法
  非抢占式轮转调度算法：安排一个队列，每次取队首执行，完成后挂在队尾
  非抢占式优先调度算法：安排一个队列，队列中的任务按优先级排列，每次取队首（当前优先级最高）执行
• 抢占式调度算法
  基于时钟中断的抢占式优先级调度算法：在非抢占优先调度算法的基础上，把时钟作为调度时间
  立即抢占的优先级调度算法：与基于时钟中断相类似，不过一旦出现外部中断就立即剥夺执行（只要不在临界区），把处理机分配给请求中断的任务
  

最早截止时间算法（EDF）

根据任务的截止时间确定任务的优先级（截止时间越早优先级越高）
最早截止时间算法可用于抢占和非抢占式调度

• 非抢占式调度方式用于非周期实时任务
  

最低松弛度优先算法（LLF）

根据任务的紧急程度（松弛度）判断优先级（松弛度越低优先级越高）
主要用于可抢占的调度方式中
松弛度=完成截止时间-当前时间-本身运行时间

3.5死锁概述

产生死锁的原因

• 竞争资源引起死锁
  可剥夺（CPU、内存）和不可剥夺性（打印机，磁带机）资源
  竞争非剥夺性资源可造成死锁
  竞争临时性资源可造成死锁

• 进程推进顺序不当引起死锁
  
  

产生死锁的必要条件

包括四个条件：

1. 互斥条件（资源的临界性）
2. 请求和保持条件
3. 不剥夺条件
4. 环路等待

处理死锁的基本方法

包括预防、避免、检测、解除（前两个是发生前、后两个是发生后）

1. 预防：破坏4个必要条件之一
   有效，但使资源利用率低
2. 避免：防止进入不安全状态
   允许动态申请资源，银行家算法
3. 检测：检测到死锁再清除
4. 解除：与“检测”配套

3.6预防死锁

破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个

1. 破坏互斥条件：互斥是资源固有属性，不可避免
2. 破坏请求和保持条件：资源的一次性分配
   全分配，全释放（AND）
   缺点：延迟进程运行、资源严重浪费
3. 破坏“不剥夺”条件：新申请不能满足则释放已获得资源
   缺点：增加系统开销，且进程前段工作可能失效
4. 破坏“环路”条件：资源的有序分配法（为资源编号，申请时需按编号进行）
   缺点：新增资源不便（原序号已排定）、用户不自由、资源与进程使用顺序不同造成浪费

3.7避免死锁

安全状态：在“避免死锁”方法中的判断条件（能找到安全序列（进程执行序列）的状态为安全状态）

• 银行家算法：一种能够避免死锁的调度算法
  大致思想：
  
  特点：
  1）允许动态申请资源，可提高资源利用率
  2）要求事先说明最大资源要求，在现实中很困难
  数据结构：

max[i,j]=k; //进程i需要Rj的最大数k个
alloc[i,j]=k; //进程i已得到Rj类资源k个
need[i,j]=k; //进程i还需要Rj类资源k个
available[j]=k; //系统现有Rj类资源k个
有：need[i,j]= max[i,j]－alloc[i,j]
 
Requesti[j]=k; //表示进程i需要k个Rj类型的资源（Requesti[j]要<=need[i,j]）
Work 表示进程继续运行所需的各类资源数目
在执行安全算法开始时，Work∶=Available
finish[i]; //布尔量，表进程i能否顺序完成

算法伪代码：

//一开始判断资源能否分配给某个进程
//银行家算法进行检查
if(reqi<=need);  //判断是否合法
else error;
if(reqi<=avail);  //判断资源是否足够
else block;
 
//先假设性地分配资源
//修改相关数据结构
avail=avail-reqi;
alloci=alloci+reqi;
needi=needi-reqi;
 
//再推算出剩下的进程需求是否有满足要求的执行序列
//安全性算法
while()
{
  //找到满足条件的进程
  finish[i]=.F.
  needi<=work
 
  //进程结束后释放资源
  work=work+alloci
  finish[i]=.T.
}

3.8死锁的检测与解除

死锁的检测

• 资源分配图
  圆圈表示进程，方框表示资源，方框内的点表示资源数，箭头表示“占有”或者“请求”
  
• 死锁定理
  S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
  简化：找出一个既不阻塞又非独立的进程结点（从进程集合中找到一个有边连接，并且资源申请数量小于系统中的空闲资源数）
  
• 检测死锁的算法

Work = available
L = {Li|alloci=0 ∩ reqi=0}  //孤立进程点并入集合L
for(all Li ∉ L)            //对于所有非孤立进程点
{
  for(all reqi <= Work)    //不阻塞则并入集合L
  {
    Work = Work + alloci;
    Li ∪ L;
  }
}
deadlock = ~(L={p1 … pn})  //若所有进程点都在L中则不会发生死锁

• 检测死锁的时机
  资源请求时去检测（占用昂贵的CPU时间）
  每隔一定时间检测一次
  CPU使用率下降到某一阀值时检测（原因：死锁进程过多->较少进程可以被执行->CPU被限制）

死锁的解除

三种办法：

1. 抢占资源
   从某一进程抢走资源给其他进程使用，完了再还给原来的进程
   较野蛮
2. 进程回退
   定期记录进程状态信息，死锁时再逐步倒回历史状态
   不野蛮，但代价高
3. 撤消进程（目前最常用）
   两种撤销：终止所有死锁进程、逐个终止死锁进程
   很野蛮