计算机操作系统-第三章-处理机调度与死锁

第三章处理机调度与死锁本章内容处理机调度常用调度算法介绍死锁与预防死锁的方法本章讨论处理器资源的管理问题。处理器调度问题决定着整个系统的综合性能。不同的CPU管理方法将为用户提供不同性能的操作系统。3.1处理机调度的层次从处理器调度的对象、时间、层次等不同角度，可把处理器调度分成不同类型。按照调度涉及的层次不同，从用户作业从进入系统成为后备作业开始，直到运行结束退出系统为止，可把处理器调度分成：高级调度中级调度低级调度3.1.1高级调度高级调度概念也称为作业调度、长程调度或接纳调度。按照系统预定的调度策略，决定把外存上处于后备队列中的哪些作业调入内存，并为它们创建进程、分配必要的资源，然后再将创建的进程排在就绪队列上，准备执行。在批处理操作系统中，作业首先进入系统在辅存上的后备作业队列等候调度，因此，作业调度是必须的。在纯粹的分时或实时操作系统中，通常不需要配备作业调度。作业相关概念作业：程序+数据+作业说明书作业步：相对独立相互关联的顺序加工步骤作业流作业控制块JCB：作业在系统中的标识，保存有系统对作业进行管理与调试所需要的全部信息作业标识用户名称、用户帐户作业类型、作业状态资源需求调度信息进入时间、开始处理时间、需求时间……作业调度时要做的决定：（1）接纳多少个作业（2）接纳哪些作业（调度算法）作业调度的目标：（1）对所有作业尽量做到公平合理（2）高设备利用率（3）执行尽可能多的作业（4）尽量短的响应时间3.1.2低级调度也称为进程调度、短程调度。用于决定就绪队列中的哪个进程获得处理机。低级调度程序是操作系统最为核心的部分，低级调度策略的优劣直接影响到整个系统的性能。最初的调度对象是传统操作系统中的进程，随着现代操作系统引入了多线程技术，进程演变成资源管理的单位，从而只作为中级调度的对象，内核级线程则替代进程成为低级调度的对象。1.进程调度功能（1）记录系统中所有进程的执行情况（2）选择占有处理机的进程(选择算法)（3）进行进程上下文切换—个进程的上下文(context)包括进程的状态、有关变量和数据结构的值、机器寄存器的值等相关程序、数据。当正在执行的进程让出处理机时，系统要做进程上下文切换，以使另一个进程得以执行。2.进程调试中的三个基本机制排队器：负责组织各进程队列分派器：将选中的进程从就绪队列中取出，分配处理机上下文切换机制两对上下文切换：保存当前进程上下文，装入分派程序上下文移出分派程序上下文，装入新选进程现场信息3.进程调度方式1）非抢占方式进程一旦获得处理机后便一起执行下去，直至该进程完成或发生某事件被阻塞时，才把处理机分配给其他进程。决不允许某进程抢占已经分配出去的处理机。当前进程无论在用户态还是核心态都不可以被抢用CPU。不可抢先式OS：Windows98/95，在这些OS中，进程从运行态退出只能是自愿或阻塞，不能强迫运行态就绪态。引起进程调度的因素：（1）进程执行完毕，或发生某事件不能再继续执行（2）I/O请求（3）进程通信或同步过程中执行了原语操作优点：实现实现简单，系统开销小，适用于批处理系统。缺点：不能满足紧急任务的要求，不适用于实时系统。2）抢占方式当一个进程正在运行时，调度程序可以基于某种原则，剥夺已分配给它的处理机，将之分配给其它进程。剥夺原则有：（1）优先权原则（2）短进程优先原则（3）时间片原则。内核完全不可抢先当前进程在用户态时可随时被抢用CPU，但处于核心态时完全不可以被抢用CPU。如：传统的UNIX和Windows。这类操作系统通常在系统调用或中断时屏蔽中断，系统调用返回或中断返回时开放中断。内核的部分可抢先当前进程在用户态时随时被抢用CPU，但处于核心态时则大部分时间不可以被抢用CPU，只在某些时刻点（可抢先点）可以被抢用CPU。如：UNIXSVR4。SVR4内核定义了抢先点：内核代码中的这样一些位置，内核的数据结构处在一个稳定的状态，并且内核马上要开始长时间的、大量的计算。此时，内核检查是否有实时进程就绪需要运行，若有则抢先当前进程。完全可抢先或内核完全可抢先无论当前进程处于用户态还是核心态，都可以随时可被抢用CPU。如：SUNSolaris（最成功的UNIX商业变种之一）。为做到完全可抢先，Solaris对SVR4的核心代码做了全面修改，大部分的内核全局数据结构都用正确的同步对象如互斥锁或信号量来保护，并通过特殊内核线程实现中断来避免用提高优先级的方法保护临界区。Solaris内核中只有极少的不可抢先代码段。3.1.3中级调度中级调度实现进程在主存与外存间的对换。反映到进程状态上就是挂起和解除挂起。中级调度将那些暂时不能运行的进程调出主存，此时这些进程处于挂起状态。当被挂起的进程具备了运行条件，且主存又有空闲区域时，再由中级调度决定一部分这样的进程重新调回主存工作。中级调度起到短期调整系统负荷的作用，调度的依据是存储资源量和进程的当前状态，目的是提高内存利用率和系统吞吐量。3.2调度队列模型和调度准则3.2.1调度队列模型1．只有进程调度的调度队列模型内存中维护就绪进程队列和阻塞进程队列。系统可能以栈、树、链表的方式组织队列。2．具有高级与低级调度的调度队列模型外存维护一个后备队列，内存维护就绪进程队列和阻塞进程队列。3．同时具有三级调度的调度队列模型3.2.2选择调度方式和调度算法的准则不同类型及目标的操作系统，其采用的调度方式与调度算法通常不同。1．面向用户的准则2．面向系统的准则1．面向用户的准则（1）周转时间短周转时间：作业提交计算机开始到完成返回用户为止的时间间隔。（2）响应时间快响应时间：从提交一个请求到首次产生响应的时间间隔。或者说，用户发送指令给计算机到计算机返回结果给用户的时间间隔。1．面向用户的准则（3）截止时间的保证评价实时系统的重要指标。截止时间：任务必须开始执行的最迟时间，或必须完成的最迟时间。（4）优先权准则：关键任务得到更好的性能指标（5）公平性：确保每个用户每个进程获得合理的CPU份额或其他资源份额。2．面向系统的准则（1）系统吞吐量高吞吐量：单位时间内系统完成的作业数。（2）处理机利用率高：大中型系统的主要指标（3）各类资源的平衡利用3.3调度算法常用的作业调度算法有：FCFS（先来先服务）方法SJP（最短作业优先）法HRN（最高响应比）法常用进程调度算法：RR（轮转）法FCFS（先来先服务）法优先级法多级反馈队列算法3.2.1先来先服务算法最简单的调度算法，基本思想是按进程（作业）到达的先后顺序进行调度。作业调度：按照作业进入系统的先后次序来挑选作业，先进入系统的作业优先被挑选。进程调度：按照进程进入就绪队列的先后次序来分配处理器。先进入就绪队列的进程优先被挑选，运行进程一旦占有处理器将一直运行下去直到运行结束或阻塞，即采用非抢占调度方式。FCFS的特点：比较有利于长作业，而不利于短作业（进程）。有利于CPU繁忙型作业，而不利于I/O繁忙型作业。实现简单平均周转时间长3.2.1短作业（进程）优先算法这是对FCFS算法的改进，其目标是减少平均周转时间。SJF：从后备队列中选择估计运行时间最短的一个或几个作业调入内存。SPF：从就绪队列中选择一个估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它。短进程优先法调度方式短进程优先算法既可以是非抢占式，也可以是抢占式。当一个进程正在执行时，一个新进程进入就绪状态，如果新进程需要的CPU时间比当前正在执行的进程剩余下来还需的CPU时间短，抡占式短进程优先算法强行赶走当前正在执行进程，这种方式也叫最短剩余时间优先算法(ShortestRemainingTimeFirst)。短作业优先法的特性优点：与FCFS相比，改善平均周转时间和平均带权周转时间，缩短作业的平均等待时间。易于实现，系统吞吐量高。缺点：忽视了作业等待时间对长作业非常不利，长作业（进程）可能长时间得不到执行；未能依据作业的紧迫程度来划分执行的优先级；难以准确估计作业（进程）的执行时间，从而影响调度性能。短作业优先算法的变型：“最短剩余时间优先”(ShortestRemainingTimeFirst)

允许比当前进程剩余时间更短的进程抢占当前进程“最高响应比优先”

(HighestResponseRatioNext)

响应比R=(等待时间+要求执行时间)/要求执行时间是FCFS和SJF的折衷3.3.2最高优先权优先算法（FPF）作业调度：从后备队列中选择若干个优先权最高的作业进入内存。进程调度：每一个进程给出一个优先数，处理器调度每次选择就绪进程队列中优先数最大者，让它占用处理器运行。1．优先权调度算法的类型（1）非抢占式优先权算法系统一旦将处理机分配给优先权最高的进程后，该进程便一直执行下去直到完成。主要用于批处理系统，也用于某些实时要求不严的实时系统中。（2）抢占式优先权调度算法系统按最高优先权分配处理机。只要出现另一个优先权更高的进程，则进程调度程序停止当前进程的执行，重新将处理机分配给新到的优先权最高的进程。常用于严格的实时系统中，或对性能要求较高的批处理和分时系统中。2．优先权的类型（1）静态优先权静态优先权是在创建进程时确定的，在整个运行期间不再改变。确定优先权的依据有：进程类型。如系统进程优先权高于用户进程。进程对资源的需求。如估计运行时间、内存需求等。用户要求。由用户或操作员根据作业的紧急程序指定一个优先级。静态优先权法简单易行，系统开销小，但不够精确。2．优先权的类型（2）动态优先权创建进程时所赋予的优先权，在进程周期内可以动态变化。如随等待时间的增加而改变。优先权确定依据：根据进程占用有CPU时间的长短来决定。根据就绪进程等待CPU的时间长短来决定。3.高响应比优先算法最高响应比优先法（HRN）是对FCFS方式和SJF方式的一种综合平衡。HRN调度策略同时考虑每个作业的等待时间长短和估计需要的执行时间长短，从中选出响应比最高的作业投入执行。响应比=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间特点：（1）在等待时间相同时，此算法是优待短作业的，实现的是SJF。（2）在要求服务时间相同时，优先权决定于等待时间，实现的是FCFS。（3）长作业在等待足够长时，也可获得处理机。这种算法是介于FCFS和SJF之间的一种折中算法。但是由于每次调度前要计算响应比，系统开销也要相应增加。3.3.3基于时间片的轮转调度算法1.时间片轮转法系统将所有就绪进程按FIFS规则排队，每个进程轮流运行一个相同的时间片。每次调度时将CPU分派给队首进程，让其执行一个时间片。在一个时间片结束时，发生时钟中断，调度程序据此暂停当前进程的执行，将其送到就绪队列的末尾，再将处理机分配给就绪队列的队首进程。这样可保证就绪队列中的所有进程在一定时间内均能获得一时间片的处理机，即系统在能在给定时间内响应所有用户的请求。好处：使系统及时响应。缺点：轮转法调度是一种剥夺式调度，系统耗费在进程切换上的开销比较大，时间片长度变化的影响:过长－>退化为FCFS算法，进程在一个时间片内都执行完，响应时间长。过短－>用户的一次请求需要多个时间片才能处理完，切换次数增加，系统开销大。时间片长度的确定：（1）系统效率（2）对响应时间的要求：

T(响应时间)=N(进程数目)*q(时间片)（3）就绪进程的数目：数目越多，时间片越小（4）CPU的处理能力：应当使用户输入通常在一个时间片内能处理完，否则使响应时间，平均周转时间和平均带权周转时间延长。2.多级反馈队列调度算法

多级反馈队列算法是时间片轮转算法和优先级算法的综合和发展。1）实现（1）系统中设置多个就绪队列，分别赋予不同的优先级，并逐级降低。（2）为不同队列所规定的时间片长度不同，优先权越高的队列分配的时间片越小。如逐级加倍。（3）新进程进入内存后，先投入队列1的末尾，按FCFS算法排队调度；若按队列1的一个时间片未能执行完，则降低投入到队列2的末尾。如果在队列2的时间片内未能完成，则降低投入到队列3……；如此下去，降低到最后的队列，则按“时间片轮转”算法调度直到完成。（4）仅当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程执行。如果进程执行时有新进程进入较高优先级的队列，则抢先执行新进程，并把被抢先的进程投入原队列的末尾。（5）阻塞进程被唤醒时，进入原来的就绪队列中。2）性能（1）终端型作业用户提供高的响应时间。（2）短批处理作业用户在第一个或前2个时间片中即可完成，平均周转时间短。（3）长批处理作业用户不会饥饿。3）优点为提高系统吞吐量和缩短平均周转时间而照顾短进程。为获得较好的I/O设备利用率和缩短响应时间而照顾I/O型进程。不必估计进程的执行时间，动态调节。3.4实时调度实时系统中存在若干个实时进程或实时任务，反应或控制某些外部事件。实时系统要响应的事件（要处理的实时任务）可以进一步划分为周期性事件和非周期性事件，都联系着一个截止响应时间。3.4.1实现实时调度的基本条件提供必要的信息就绪时间、截止时间、处理时间、资源要求、优先级系统处理能力强多采用抢占式调度机制具有快速切换机制设置快速的硬件中断机构适当的机制使进行切换开销小3.4.2实时调度算法分类1．非抢占式调度算法（1）非抢占式轮转调度算法通过对所有周期性任务的分析预测（到达时间、运行时间、结束时间、任务间的优先关系），事先确定一个固定的调度方案。这种方法的特点是有效但不灵活。（2）非抢占式优先级调度算法2．抢占式调度算法（1）基于时钟中断的抢占式优先权调度算法。（2）立即抢占的优先权调度算法3.4.3常用的实时调度算法实时调度算法可以分为动态实时调度算法和静态实时调度算法两类。动态实时调度算法在运行时作出调度决定，静态实时调度算法在系统启动之前完成所有的调度决策。常用的实时算法都是基于优先权的算法。1．最早截止时间优先即EDF算法

(EarliestDeadlineFirst)根据任务的开始截止时间来确定任务的优先级。截止时间越早，优先级越高。实时任务的就绪队列按优先级排序，调度程序总是选择队首进程占有处理机。EDF算法用于非抢占调度方式2．最低松弛度优先(LLF)算法根据任务的紧急（或松驰）程序来确定任务的优先级。任务紧急程序高，为该任务所赋予的优先级愈高。该算法主要用于抢占式调度方式。松弛度=必须完成时间-其本身的运行时间-当前时间假如在一个实时系统中，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。A和B任务每次必须完成的时间利用LLF算法进行调度的情况3.5产生死锁的原因和必要条件死锁实例设系统有一台打印机(R1)一台扫描仪(R2)，被并发的A、B两进程共享。用信号量S1、S2表示R1、R2是否可用，S1、S2初值为1。A、B并发时就可能产生死锁。死锁概念死锁：多个进程因竞争共享资源而造成的一种僵局，若无外力作用，这些进程都将永远不能再向前推进。一组并发进程彼此互相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。从而造成大家都想得到资源而又都得不到资源，各并发进程不能继续向前推进的状态。这一组进程就称为死锁进程。3.5.1产生死锁的原因产生死锁的因素不仅与系统拥有的资源数量有关，而且与资源分配策略，进程对资源的使用要求以及并发进程的速率有关。1.竞争系统资源2.进程的推进顺序不当

1）可剥夺资源和非剥夺资源可剥夺资源：分配给某进程后又可以被其他进程或系统剥夺的资源。如处理机、内存。非剥夺资源：一旦分配给某进程后不能强行收回，只能由进程自行释放的资源。永久性资源：可以被多个进程多次使用的资源（可再用资源）。临时性资源：由一个进程产生，被另一进程使用一段时间后便无用的资源。如消息，中断信号，同步信号等（可消耗性资源）。2）竞争资源引起死锁（1）竞争非剥夺资源（2）竞争临时性资源3．进程推进顺序不当P1P2Request(R1);Request(R2);Request(R2);Request(R1);Releast(R1);Releast(R2);Releast(R2);Releast(R1);3.5.2产生死锁的必要条件1．互斥条件：资源独占，排他性使用。2．请求和保持条件：当进程因请求资源而阻塞时，不释放已占有的资源。3．不剥夺条件：进程已获得的资源不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。4．环路等待条件：在发生死锁时，必然存在一个进程--资源的环形循环链，链中每一个进程已获得的资源被下一个进程所请求，同时它又请求上一进程所拥有的资源。3.5.3处理死锁的基本方法预防死锁：设置限制条件，破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个条件。避免死锁：在每次的资源动态分配过程中，对系统能够满足的资源申请进行安全性检查，根据结果决定是否进行此次分配。检测死锁：允许系统发生死锁，但设置检测机构，及时检测出死锁的发生。解除死锁：外力推动解除死锁。具体方法有：撤消或挂起死锁进程、剥夺资源等。3.6预防死锁的方法3.6.1预防死锁死锁的预防：通过设置限制条件，破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个条件，使系统在任何时刻都不满足死锁的必要条件，从而预防死锁的发生。1．资源一次性分配进程必须在运行前一次性地申请运行期间所需的全部资源，这样进程在整个运行期间不会再提出资源请求，从而摒弃了请求和保持条件。优点：简单，易于实现，安全。缺点：（1）资源浪费严重。降低进程并发度。（2）进程延迟运行。（3）不适用资源需要未知的进程。2．可剥夺资源允许进程逐个申请资源，当进程新的资源请求未满足时，必须释放已占有的资源，待以后需要时再重新申请。此策略表明进程已占有的资源可被暂时释放，即被剥夺了，从而摒弃“不剥夺”条件。缺点：（1）复杂，实现困难且代价大。（2）延长了进程的周转时间，增加系统开销。3．资源有序申请系统给每类资源赋予一个序号，每一个进程严格按照序号递增的顺序请求资源，释放则相反。此方法不可能形成资源占有与请求的环路，从而破坏环路等待条件。优点：相对而言，系统利用率高，系统吞吐量大。缺点：（1）限制设备扩充。系统事先确定资源序号，限制了新类型设备的增加。（2）限制了进程对资源的请求，编程困难。（3）资源浪费。当进程使用顺序与资源序号不相符时，也会造成资源浪费。3.6.3避免死锁避免死锁的方法就是让系统处于安全状态中。在避免死锁的策略中，允许进程动态地申请资源。死锁避免：系统对进程运行过程中发出的每一个系统能够满足的资源申请进行安全检查，根据检查结果决定是否分配资源。若此次分配会导致系统进入不安全状态，则不予分配；否则予以分配。1．安全状态安全状态指系统能按某种进程顺序来为每个进程分配其所需资源，直至每个进程的最大需求，使每个进程都可顺序完成。若系统不存在这样一个序列，则称系统处于不安全状态，不安全状态一般会导致死锁。2．安全状态实例P953．由安全状态向不安全状态的转换

如果不按照安全序列分配资源，则系统可能会由安全状态进入不安全状态。3.6.3银行家算法避免死锁单种资源的银行家算法描述：假定一个银行家拥有资金，数量为∑，被N个客户共享。银行家对客户提出下列约束条件：每个客户必须预先说明自己所要求的最大资金量每个客户每次提出部分资金量申请和获得分配如果银行满足了客户对资金的最大需求量，那么，客户在资金运作后，应在有限时间内全部归还银行。银行则保证：若一个客户所要求的最大资金量不超过∑，则银行一定接纳该客户，并处理他的资金需求；银行在收到一个客户的资金申请时，可能因资金不足而让客户等待，但保证在有限时间内让客户获得资金。三种资源分配状态：(a)安全(b)安全(c)不安全

银行家算法就是对每一个请求进行检查，检查这次资源申请是否会导致不安全状态。若是，则不满足该请求；否则便满足。1．银行家算法中的数据结构（1）可利用资源向量Available[m]。每一个元素代表一类可利用的资源数目，其初始值是系统中所配置的该类全部可用资源的数目，其数值随该类资源的分配和回收而动态地改变。如果Available［j］=K，则表示系统中现有Rj类资源K个。（2）最大需求矩阵Max[n][m]。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。如果Max[i][j]=K，则表示进程i需要Rj类资源的最大数目为K。1．银行家算法中的数据结构（3）分配矩阵Allocation[n][m]定义了系统中每一类资源当前已分配给每一进程的资源数。如果Allocation[i][j]=K，则表示进程i当前已分得Rj类资源的数目为K。（4）需求矩阵Need[n][m]用以表示每一个进程尚需的各类资源数。如果Need[i][j]=K，则表示进程i还需要Rj类资源K个，方能完成任务。Need[i][j]=Max[i][j]-Allocation[i][j]

2．银行家算法设Requesti是进程Pi的资源请求向量，如果Requesti[j]=K，表示进程Pi需要K个Rj类型的资源。当Pi发出资源请求后，系统按下述步骤检查：（1）如果Requesti[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。（2）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。（3）系统试着把资源分配给进程Pi，并修改下面数据结构中的数值：Available[j]=Available[j]-Requesti[j];Allocation[i][j]=Allocation[i][j]+Requesti[j];Need[i][j]=Need[i][j]-Requesti[j];（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