2023Fal-操作系统-Chapter3-处理机调度与死锁

本文为笔者的课程学习记录，用于复习与查阅，如有错误，烦请指正。

01 处理机调度的层次和调度算法的目标

1.1 何为调度？

在多道程序系统中，调度的实质是一种资源分配，处理机调度是对处理机资源进行分配。

1.2 何为调度算法？

处理机调度算法是指根据处理机分配策略所规定的处理机分配算法。

1.3 处理机调度层次

  • 调度层次分为高、中、低3层调度机制；

  • a 高级调度（作业调度）

    • 决定把外存上处于后备队列中的哪些作业调入内存，分配资源、创建进程，等待；
    • 频率很低，几分钟一次；
    • 作业调度仅存在与批处理系统中，在我们常用的分时系统不常用；

  • b 中级调度（内存调度）

    • 挂起与激活的调度，将进程在外存和内存中转移；
    • 交换调度的目的是为了解决内存紧张问题，常用于分时系统及具有虚拟存储器的系统；

  • c 低级调度（进程调度）

    • 分配CPU时间，在就绪队列中选择进程分配处理机资源；
    • 最基本的调度；
    • 高频，需要简单的调度算法，以免占用过多时间；
    • 两种低级调度方式：
      1. 非抢占式：进程获得CPU后，除非主动让出，否则其他进程不能得到CPU；
      2. 抢占式：系统可根据某种原则，暂停正在占用CPU的进程，将CPU分配给其他进程；
        • 常见抢占原则：
          • 优先权原则；
          • 短作业原则；
          • 时间片原则；

1.4 调度算法目标

  1. 共同目标
    1. 资源利用率（包含CPU与其他资源的利用率）
      • CPU利用率计算 = 工作时间 / （工作时间 + 空闲时间）
    2. 公平性
      • 对所有进程公平分配CPU，不造成个别进程的饥饿现象；
      • 根据进程的优先级的不同，可有所侧重；
    3. 平衡性
      • 均衡不同类型的进程调度（计算型进程、IO型进程）；
      • 使得CPU和各种外部设备均衡使用，经常处于忙碌状态；
    4. 策略强制执行
      • 对于重要策略（如安全），需要时则强制执行，即便造成某些工作延迟执行；
  2. 批处理系统目标（不同的目标导致不同的调度策略）
    1. 平均周转时间短
      • 周转时间：作业提交给系统 - 作业完成 所用时间；
      • 平均周转时间：n个作业的周转时间的平均值；
      • 带权周转时间：W = 周转时间T / 系统为其提供服务的时间 Ts ；
        • W必然不小于1；
      • 平均带权周转时间：n各作业的带权周转时间的平均值；
    2. 系统吞吐量高
      • 吞吐量：单位时间内系统所完成的作用数（强调个数）；
      • 与作用长度有关，如果想要提高吞吐量，则应选择短作业执行；
    3. 处理机利用率高
      • 若想单纯提高处理机利用率，则应选择计算量大的进程优先执行；
      • 可见，这些目标间存在矛盾；
  3. 分时系统目标
    1. 响应时间快
      • 响应时间：用于键盘输入请求 - 屏幕显示结果 所用时间；
      • 包含3部分：请求输入 + 处理机处理 + 相应信息显示到屏幕；
    2. 均衡性
      • 响应时间的快慢应与用户所请求服务的复杂性相适应；
      • 即简单服务相应快，复杂服务可适当相应慢（因为用于对此有心理预期）；
  4. 实时系统的目标
    1. 截止时间保证
      1.截止时间：指任务最迟执行时间或最迟完成时间；
      2. 实时系统调度算法的主要目标是保证截止时间；
    2. 可预测性
      • 请求可预测性，如电影的连续播放。若使用双缓冲，可对连续两帧并行处理，提高实时性；

02 作业与作业调度

2.1 批处理系统中的作用

  1. 何时需要进行作业调度 ？
    批处理系统中，外存调入内存；
  2. 作业与作业布的概念
    • 作业：包含程序、数据、作业说明书；批处理系统中，以作业为基本单位从外存调入内存；
    • 作业步：作业可分为若干相互独立同时相互关联的顺序步骤，这些步骤称为作业步；
  3. 作业控制块
    • JCB：job control block；
    • 包含：作业标识、用户名称、用户账号、作业类型(CPU 繁忙型、I/O 繁忙型、批量型、终端型)、作业状态、调度信息(优先级、作业运行时间)、资源需求(预计运行时间、要求内存大小等)、资源使用情况等
  4. 作业运行的三个阶段和三种状态
    作业从进入系统到运行结束，通常需要经历收容、运行和完成三个阶段。相应的作业也就有“后备状态”、“运行状态”和“完成状态”；

2.2 作业调度的主要任务

  1. 主要任务：
    • 根据JCB中的信息，检查系统中的资源能否满足作业对资源的需求，
    • 按照一定的调度算法，从外存的后备队列中选取某些作业调入内存，
    • 为它们创建进程、分配必要的资源，
    • 再将新创建的进程排在就绪队列上等待调度；
      总结即为：作业调度决定调度几个作业，哪几个被调度；

2.3 作业调度算法

主要有4种算法：

  1. 先来先服务FCFS调度算法；
    • 按照作业到达的先后次序来进行调度；
    • 这种调度方式，在所有作业的耗时相当时，基本公平；
    • 但是当有长耗时夹杂在其中是，会使得长作业长期占用CPU，使得短作业长时间等待；
  2. 短作业优先SJF调度算法；
    • 作业越短，其优先级越高；
    • 作业长短衡量标准：作业所要求的运行时间；
    • 可以分别用于作业调度和进程调度；
    • 缺点：
      1. 必须预知作业的运行时间（用于选择短作业）；
      2. 对长作业不利，长作业周转时间明显增长，出现饥饿；
      3. 完全未考虑作业的紧迫程度，紧迫性作业不能得到优先处理；
  3. 优先级调度算法；
    • 根据优先级进行作业调度（也可用于进程调度）；
    • 本质上这些算法都是根据优先级调度，而对于优先级的定义不同；
  4. 高响应比优先调度算法；
    • (Highest Response Ratio Next ，HRRN）；
    • 对比：
      • FCFS算法所考虑的只是作业的等待时间，而忽视了作业的运行时间；
      • SJF算法正好与之相反，只考虑作业的运行时间，而忽视了作业的等待时间；
      • 而高响应比优先调度算法则是兼顾了等待与运行时间两个方面；
    • 特点：动态优先级，作业的优先级随着等待时间的增加，且不同长度作业的优先级增加速度不同；
    • 计算：\(优先级R_p = \frac{等待之间 + 要求服务时间}{要求服务时间} = \frac{相应时间}{要求服务时间}\)

03 进程调度

3.1 进程调度的任务

  1. 保存当前进程的现场信息（处理机、寄存器等等）；
  2. 根据某种算法选择调度进程；
  3. 将处理机分配给此进程；

3.2 进程调度机制

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3.3 进程调度方式

调度方式可分为两类：

  1. 抢占式方式
  2. 非抢占式方式

对于非抢占式方式，其引起调度（主动让出CPU）的因素有：

  1. 进程结束；
  2. 提出IO请求；
  3. 在进程通信和同步过程中，执行力某些源于；

对于抢占式方式，常见的抢占原则有：

  1. 优先权原则；
  2. 短进程优先原则；
  3. 时间片原则；

3.4 进程调度算法

  1. 时间片轮转调度算法(Round Robin)；
    • 划分时间片，进程排队使用时间片。时间片用完后回到队尾；
    • 进程切换时机：
      1. 时间片用完；
      2. 进程执行完毕；
    • 时间片大小确定：
      • 过长：退化为FCFS；
      • 过短：上下文切换次数多，增加切换系统开销；
  2. 优先级调度算法
    • 优先级调度算法类型：
      1. 抢占式；
      2. 非抢占式；
    • 优先级类型
      1. 静态优先级
      2. 动态优先级；
  3. 多队列调度算法
    • 设置多个就绪队列，每个队列可以实施不同的调度算法；
    • 系统针对不同用户进程的需求提供多种调度策略；
  4. 多级反馈队列调度算法
    • 与多队列调度算法区分：
      • 进程在一个队列得到时间片后，会进入下一个队列尾，而不是回到同一个队列；
      • 队列的优先级递减，时间片大小递增；
    • 新进程加入调度的方法：首先放入优先级最高的队列进行等待，当轮到此进程并将时间片用完后，则放入优先级第二的队列， 以此类推；
    • 优点：
      • 不需要知道此进程的预期服务所需时间，所有进程的策略相同；
      • 在多级反馈队列调度算法中，如果规定第一个队列的时间片略大于多数人机交互所需之处理时间时，便能较好地满足各种类型用户的需要；
    • 注意：只有第\(i\)高优先级队列之前的队列（\(1\)~\(i-1\)）都调度完毕（队列为空）时，才会开始调度第\(i\)个队列；
      image
  5. 保证调度算法
  • 在系统中有n个相同类型的进程同时运行，为公平起见，须保证每个进程都获得相同的处理机时间1/n；
  • 调度程序应选择比率最小的进程将处理机分配给它，并让该进程一直运行，直到超过最接近它的进程比率为止；
  1. 公平分享调度算法
  • 公平分享调度算法中的公平性主要针对用户而言，使所有用户能获得相同的处理机时间，或所要求的时间比例；

04 实时调度

4.1 最早截止时间优先算法（EDF）

  1. 非抢占式；
    • 任务的开始截止时间来确定任务的优先级；
    • 开始截止时间：任务在某时间以前必须开始执行；
  2. 抢占式；
    • 抢占式调度用于周期实时任务；
    • 根据任务的最早完成截止时间来确定任务的优先级；

例如：有两个周期性实时任务A和B，任务A要求每20ms执行一次，执行时间为10ms；任务B只要求每50ms执行一次，执行时间为25ms；
image

4.2 最低松弛度优先算法

  • 最低松弛度优先LLF(Least Laxity First)；
  • 任务的紧急程度愈高，为该任务所赋予的优先级就愈高，使之优先执行。
    • 松弛度=必须完成时间-其本身的运行时间-当前时间；
    • 松弛度，也就是还可以等待的最大时间；
  • 主要用于抢占式调度方式；

有两个周期性实时任务A和B，任务A要求每20ms执行一次，执行时间为10ms；任务B只要求每50ms执行一次，执行时间为25ms；
image
注意：

  • 在20ms时，这里虽然A的松弛度更低，但因切换进程有所花销，且A进程松弛度仍有剩余，因此不进行切换，继续进行B，等到必须执行A是再切换。
  • 也就是尽量减少切换，同时在一定程度上使用松弛度作为优先级依据。

4.3 问题：优先级倒置

  • 何为优先级倒置？
    高优先级进程(或线程)被低优先级进程(或线程)延迟或阻塞；
  • 解决方法：
    • 总体方法：进入临界区后的进程所占有的处理机不允许被抢占；
    • 具体方法1：将申请某资源的任务的优先级提升到可能访问该资源的所有任务中最高优先级任务的优先级。（这个优先级称为该资源的优先级天花板）；
    • 具体方法2：动态优先级继承：当发现高优先级的任务因为低优先级任务占用资源而阻塞时，就将低优先级任务的优先级提升到等待它所占有的资源的最高优先级任务的优先级；
    • 注意区分这两种方法的区别：优先级提升的时机不同；

05 死锁概述

5.1 死锁的定义

  • 定义：死锁是指多个并发进程彼此等待对方所拥有的资源，且这些并发进程在得到对方的资源之前不会释放自己所拥有的资源，从而使得各进程不能继续向前推前；
  • 关键词：并发进程间，彼此等待对方资源，不得到不释放，相互限制；

5.2 死锁的原因

  • 原因：
    1. 资源不足；
    2. 进程推进顺序不当；
      image

5.3 死锁的必要条件

  • 以下4个条件，缺一不可（破坏其中任何一个条件，即不会死锁）

    1. 互斥条件：
      • 资源互斥，并发进程所要求和占有的资源是不能同时被两个以上进程访问；
      • 此条件是4个条件中唯一不可人为避免的条件；
    2. 不可抢占条件：
      • 进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行抢占，而只能由获得该资源的进程自己释放；
    3. 请求和保持条件：
      • 进程已经占有了至少一个资源，但又申请新的资源，而申请的资源已被其他进程占有，该进程在等待新资源的同时继续占有已分配的资源；
    4. 环路等待条件：
      • 存在一种进程循环链，链中每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求；

  • 解决死锁的方案（3种）

    1. 预防：设置限制条件，破坏死锁的4种必要条件之一，使得不可能陷入死锁；
    2. 避免：在资源分配前，先计算判断是否会陷入死锁，若会陷入，则不分配资源；
    3. 检测与恢复：当陷入死锁，检测其位置和原因，外力破坏死锁的必要条件，恢复；

06 预防死锁

设置限制条件，破坏死锁的4种必要条件之一，使得不可能陷入死锁。

  1. 摒弃“请求和保持”条件：
    • 方法：规定所有进程都必须一次性申请其在运行过程中所需的全部资源，即采用静态分配方法；
    • 缺点（易浪费、易饥饿）：
      1. 有些资源可能只需要很短时间，但进程整个运行期间都一直保持着所有资源，造成严重的资源浪费；
      2. 使进程经常发生饥饿现象；
  2. 摒弃“不可抢占”条件：
    • 方法：规定一个已经保持了某些资源的进程，在提出新的资源请求而不能立即得到满足时，必须释放它已获得的所有资源；
    • 缺点：
      1. 实现起来比较复杂；
      2. 释放已获得资源可能造成进程前一段工作的失效，使得进程前后两次运行的信息不连续；
      3. 反复申请和释放资源，使进程的执行无限推迟;
  3. 摒弃“环路等待”条件：
    • 方法：将系统中的资源按类型赋予不同的序号，并规定所有的进程必须严格按照资源序号递增的顺序申请资源，即顺序资源分配法；
    • 缺点：
      1. 不方便增加新的设备，因为可能需要重新分配编号；
      2. 进程实际使用资源的顺序可能和编号递增顺序不一致，导致资源浪费；
      3. 不方便用户编程；

07 避免死锁

7.1 避免死锁概述

避免死锁（动态预防，与上节的静态策略预防死锁相对）：

  • 动态申请资源，在资源分配前计算安全性；
  • 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；
  • 计算当前安全性的算法，银行家算法；

安全状态与安全序列：

  • 安全状态：指系统能按某种进程顺序（称 安全序列）（P1，P2，…，Pn），为每个进程Pi分配其所需资源，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；

7.2 银行家算法

  • 当前有m种资源、n个进程；

  • 银行家算法中所需数据结构：

    1. Available[m]：可利用资源向量，当前第i种资源可分配个数；
    2. Max[n][m]：最大需求矩阵，进程i对于资源j的总最大需求数；
    3. Allocation[n][m]：分配矩阵，进程i的资源j已分配个数；
    4. Need[n][m]：需求矩阵，进程i后续对于资源j的需求数；
    5. Requesti[ j ]:进程Pi的请求向量，本次请求资源j的个数；
      其中：Need［i,j］=Max［i,j］-Allocation［i,j］；

  • 银行家算法：

    1. 本次请求量是否不大于后续所需？
    2. 本次请求量是否不大于系统当前可分配资源？
    3. 尝试分配，计算若分配记录量变化情况；
    4. 检查分配后状态是否安全，若安全，则正式进行分配操作；若不安全，则恢复原状，不进行此次分配，令此进程阻塞等待，等待资源。

  • 安全性检查算法：

    • Work[m] 工作向量；
      • 表示系统可提供给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[n]：
      • 表示系统是否有足够的资源分配给进程，使之运行完成;
      • 初始令所有 Finish[i]=false；当有足够资源分配给进程时，再令Finish[i]=true ；
      • 而后进行模拟，尝试将所有进程的 finish 赋值为 true；若可以做到，则说明此状态安全；
    • 算法流程如下：
      image

  • 银行家算法举例：
    （1）假定系统中有五个进程｛P0，P1，P2，P3，P4｝和三类资源｛A，B，C｝，各种资源的数量分别为10、5、7，在T0时刻的资源分配情况如图所示：
    image
    解答--完整填写下表：
    image

（2）P1请求资源：P1发出请求向量Request1（1，0，2），系统按银行家算法进行检查；
解答：

  1. 检查 \(\text{Request}1(1,0,2){\leq}\text{Need}1(1,2,2)\)
  2. 检查 \(\operatorname{Requestl}(1,0,2)\le\text{Available}1(3,3,2)\)
  3. 假设分配资源，计算分配后情况
    • 修改 Available, Allocation1、Need1 向量；
  4. 使用安全性算法判断 假定分配后状态是否安全；

08 死锁检测与解除

8.1 死锁检测

  1. 什么是资源分配图？
    • 矩形表示一类资源， 其中圆圈的个数表示该类资源数量；
    • 圆圈结点表示进程；
    • 有向边
      • 从进程指向资源的边，称为请求边
      • 从资源指向进程的边，称为已分配边
  2. 状态S为死锁状态的充分条件
    • 当且仅当S状态的资源分配图是不可完全简化；
    • 该充分条件称为死锁定理；
  3. 如何简化资源分配图？
    1. 每次选择非孤立的、没有被死锁的进程，删除与其相连的所有边。
    2. 如图（a),其中 P1 即符和上述要求，而P2被阻塞。
    3. 删除边后，再次寻找，如果不能将所有边删除，则死锁。
      image
  4. 死锁检测算法
    • 死锁检测算法与上面的资源分配图判断死锁的思路相似，都是不断尝试结束进程释放资源，检查是否可使得所有进程结束；
    • 具体实现与银行家算法的安全检测几乎相同，数据结构类似；
    • 算法描述如下：
      image

8.2 解除死锁

方法：

  1. 剥夺资源
  2. 撤销进程

而要考虑的是剥夺谁，撤销谁？这又涉及到优先级和策略问题，不同的追求导致不同的策略和算法。

补充：鸵鸟算法

  • 假设不会发生死锁；
  • 即便发生死锁，OS也视而不见，留给用户去解决这个问题（比如手动通过任务管理器杀死进程）
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