操作系统——第三章

在这一章中，主要是讲述处理机调度算法、处理机死锁问题。
1、理解“调度”这个词的意思
2、一个作业从进入系统到被执行完毕，可能要经过三次调度：
a、高级调度：把作业从外存调入内存，变为进程
b、低级调度：在内存中通过某种算法，分配处理机资源
c、中级调度：挂起态和活动态之间的转换
3、CPU的利用率 = CPU工作时间/（CPU工作时间+CPU等待时间），所以提高CPU的利用率就是较少CPU的等待时间
4、周转时间是指作业从进入系统（外存）开始，到作业完成的时间间隔，可以写成：周转时间 = 等待时间+服务时间
由4部分构成：在外存等待被调入内存的时间、在内存的就绪队列上等待分配CPU的时间、CPU的执行时间、等待IO的时间。
带权周转时间 = 周转时间/服务时间，带权周转时间越大，说明等待时间越长，理想请款是带权周转时间为1
平均带权周转时间 = 所有进程的周转时间总和/进程个数
平均周转时间、平均带权周转时间是评价CPU调度算法好坏的一个指标
5、所有OS的共同目标：提高资源利用率、保证进程公平不发生饥饿现象、CPU和外部设备经常处于忙碌状态、策略强制执行
此外，批处理系统的目标：平均周转时间、系统吞吐量高、CPU利用率高
分时系统的目标：响应时间快、响应快慢与请求复杂程度相适应
实时系统目标：保证截止时间、能预测是否能按时完成
6、作业调度（高级调度）的主要任务：接纳哪些作业、接纳多少个作业
7、明白几种算法的内容、优缺点、计算参数（周转时间、平均周转时间、带权周转时间、平均带权周转时间）
a、先来先服务（FCFS）
对于作业来说，谁先进入系统单，就调谁到内存；对于进程来说，谁排在就绪队列第一个，就为谁分配处理机。注意：这个中间没有并发，相当于串行执行
特点：有利于长作业，不利于短作业；有利于CPU繁忙型作业，不利于IO繁忙型作业
b、短作业优先（SJF）、短进程优先（SPF）
对于作业来说，预估谁执行时间短，谁先进入内存；对于进程来说，预估谁执行时间短，谁先分配处理机
不论是先来先服务和短作业优先，暂时认为是“非抢占性的”，也就是不会被插队
缺点：对长作业不利，有饥饿可能、不具有实时性、作业（进程）长短是预估的，和实际不一定一样
c、优先级调度算法（PSA）
在进程的PCB中，写有进程的优先级，按照某种方式规定优先级，按照优先级的顺序执行。如果是短作业优先，就默认短作业的优先级高。
d、高响应比优先调度算法
响应比 = （等待时间+要求服务时间）/（要求服务时间），从公式上看和带权周转时间是一样的，但是仅仅是数值一样。
响应比是动态的，每当有进程或作业结束，都会计算一次所有进程或作业的响应比，选取响应比高的进程或作业，优先执行。所以说，等待时间越长，优先级越高，越可能被先调度。但是由于要计算响应比，增加了系统开销。
e、时间片轮转法（RR）
简单来说，就是分时系统中，把时间分为若干个时间片，每一个进程在一个时间片内使用CPU资源，轮流使用。时间片的选用太大，就是先来先服务算法，体现不出轮转，时间片选用太小，进程切换频率过高，开销太大。时间片选用四个因素：系统响应时间、就绪队列进程数目、进程的轮转时间、CPU速度。
f、多队列调度算法
简单来说，就是有多个就绪队列，每一个就绪队列中调度算法不一样，适用于多处理机系统
g、多级反馈队列调度算法（MFQ）
这个算法比较机智较为复杂，类似于多种算法的结合体。同多队列调度算法一样，也是分为若干个就绪队列，每一队列优先级不同。优先级高的时间片短，优先级低的时间片长（时间片越短，响应时间越快）。
运行机制:每一个队列遵循时间片轮转、先来先服务。先从第一队列（优先级最高的就绪队列）的第一个进程开始执行，时间片到，进程没有结束，将进程插入到第二队列的末尾，以此类推。所以是第一队列（优先级最高的）全部执行完了，再执行第二队列，第二队列全部执行完了，再执行第三队列，以此类推。如果有新进程到来，插入到第一队列的末尾。如果采用抢占机制，被抢占的进程要插入到进程所在队列的末尾。
优点：对短作业、短进程友好，可在第一时间完成；对长作业、长进程不用担心发生饥饿现象
h、最早截止优先（实时调度）：基于前边的优先级算法，截止时间越早的（越着急），优先级越高。有抢占和不可抢占。
i、最低松弛优先算法（实时调度）：基于优先级的，松弛度越小的（越着急），优先级越高。松弛度 = 截止时间-本身执行完毕需要的时间-当前时间。任务切换的两种情况：上一个任务执行完或下一个任务松弛度为0。
8、进程调度（短程调度）的任务：保存现场、从就绪队列中按照算法选择进程、分配处理机。
9、进程调度依靠一个调度程序，调度程序中有三个重要部分：排队器、分派器、上下文切换器。排队器是将就绪状态的进程插入到就绪队列；分派器是从就绪队列中按照算法选择一个分配处理机；上下文切换器是保存现场和恢复现场。注意在进程切换的中间，CPU要执行调度程序，不是直接切换的。
10、理解抢占和非抢占。抢占是指当前正在执行的进程不是因为执行完毕、IO阻塞、时间片用完等原因，而是被动放弃处理机，发生进程切换。非抢占是指当前正在执行的进程因为执行完毕、IO阻塞、时间片用完等原因，主动放弃处理机的时候，发生了进程切换。抢占可以理解为中途被“轰下去”。
11、优先级倒置现象：某种原因造成的优先级低的任务先执行完毕，优先级高的任务后执行完毕。解决方式是优先级继承。
12、死锁是指多进程竞争资源造成的僵局，例如前边的哲学家就餐问题，5个筷子代表5个资源，5个人同时拿起左边的筷子，又拿不到右边的筷子，5个进程同时阻塞。所以造成进程间死锁的原因是资源，资源不够可能会引起死锁，请求和释放资源顺序不得当也会造成死锁。
13、CPU、内存这类资源属于可抢占性资源（可剥夺性资源）；打印机属于不可剥夺性资源（也就是前边讲的临界资源）。前边说死锁是由资源不够而产生的，是说打印机这种不可剥夺性资源不够会引起死锁，而可剥夺性资源是可剥夺的，不会引起死锁。
14、产生死锁的4个必要条件：
a、互斥条件：比如打印机这种资源，访问一定是互斥的，所以打印机这类资源不够会引起死锁。
b、请求和保持条件：手里拿着资源，还在申请其他资源。
c、不可抢占资源：比如打印这种资源，是不可抢占的。如果可抢占，例如CPU，是不会发生死锁的。
d、循环等待条件：进程和请求、保持的资源之间，构成了一个环
15、处理死锁的方法：
a、预防死锁：破坏死锁产生的4个必要条件至少其中之一
互斥条件不能破坏，打印机这类资源一定要互斥访问才可以，不能共享访问；破坏请求和保持，一次性申请全部资源（AND型信号量思路），实现简单，但是浪费资源，延迟进程推进（申请的资源暂时又用不到，要空闲着等待）；破坏不可抢占，把打印机这类不可抢占资源变为可抢占性资源，即如果申请的资源得不到，就放弃手中的全部资源，因为资源不停的申请释放增加了系统开销；破坏循环等待，给资源编号，按照顺序是申请，比较死板，限制用户编程和增加新资源。
b、避免死锁：检测系统是否是安全的，系统不安全，可能会导致死锁
c、检测死锁
d、解除死锁：挂起、撤销某些进程，从而释放该进程拥有的资源

 16、不安全状态：找不到一个安全序列，系统就是不安全的。如果系统处于一个不安全状态，就有可能导致死锁，只是有可能，不是一定。安全序列：进程执行的先后顺序，主要是看当前资源数目能不能满足进程需要。

17、本章最重要的一个，就是银行家算法。银行家算法是为了银行判断是否给企业贷款设计的，核心思想就是假设给了，系统仍旧是安全的，那就给，不安全，就不给。具体的过程大家看课本和习题指导书就可以，上边的例题足够大家掌握该知识点。