处理器管理课件

第三章处理器管理09-处理机管理-1本次课主要内容处理机调度调度性能评价标准进程调度算法进程调度时机与步骤常用调度算法09-处理机管理-1处理器管理的任务

在进程管理部分的设计中，目前我们已经完成了进程描述结构（PCB）的设计，以及进程创建、加载、同步、互斥、通信、终止等部分的设计，甚至考虑到了进程的死锁，但还有一个非常重要的工作至今没有涉及到，即进程的运行。所谓进程的运行，就是给进程分配处理器，也就是将进程调度到处理器上执行程序。在进程管理中，负责进程运行的部分称为进程调度，或CPU调度或处理器管理。09-处理机管理-1处理器管理(处理机调度)处理机是计算机系统中的重要资源处理机调度算法对整个计算机系统的综合性能指标有重要影响可把处理机调度分成三个层次：

高级调度中级调度低级调度09-处理机管理-1高级调度也称为作业调度或宏观调度高级调度的时间尺度通常是分钟、小时或天中级调度涉及进程在内外存间的交换，从存储器资源管理的角度来看，把进程的部分或全部换出到外存上，可为当前运行进程的执行提供所需内存空间。将当前进程所需部分换入到内存，指令和数据必须在内存里才能被处理机直接访问。低级调度也称微观调度，从处理机资源分配的角度来看，处理机需要经常选择就绪进程或线程进入运行状态，低级调度的时间尺度通常是毫秒级的。由于低级调度算法的频繁使用，要求在实现时做到高效处理机调度的三个层次09-处理机管理-1作业调度

在批处理时代，调度是以作业为单位的。因此，那时的处理器管理又称为作业调度。作业调度的任务是：从处于后备状态的作业中选择一个作业，为其分配资源，让它进入主机运行。在同一时间内，系统中只有一个作业，该作业独占所有的系统资源，包括处理器。只有当一个作业结束后，作业调度程序才装入下一个作业。此时的作业调度程序非常简单，运行频率也很低，不存在作业切换，也不用担心处理器资源的回收问题。09-处理机管理-1在此后的发展中，为了提高处理器的利用率，人们提出了多道程序的概念，允许在系统中同时存在多个作业。这时作业调度的任务是：从处于后备状态的作业中选择一个或一批作业，让它（它们）进入主机，为它们创建进程，准备运行。此时，作业调度的主要工作是选择作业、创建进程。为了充分发挥资源的作用，应合理搭配作业，并控制系统中作业的数量。作业调度

09-处理机管理-1当然，进入主机的作业并不一定能够立刻运行，还需要另外一个调度程序为它们分配CPU，这就是CPU调度。所以，早期的操作系统要提供多个调度程序。作业调度又称为高级调度、宏调度、长调度等，它选择的作业具有了获得处理器的资格。CPU调度又称为低级调度、微调度、短调度等，它选择能够立刻投入运行的进程，并将处理器分配给它。两者的关系如下图：作业调度

输入设备运行态就绪态封锁态内存输入井后备状态(外存)作业调度(高级)进程调度(低级)主机输出设备作业调度与CPU调度的关系09-处理机管理-1作业调度与进程调度的关系功能不同

作业调度是宏观调度，它从外存中处于后备状态的作业中选择作业进入内存;进程调度是微观调度，它们将CPU分配给选中的就绪进程，作业首先经作业调度进入就绪队列，然后才有资格被进程调度程序选中分配CPU。执行的频率不同 作业调度执行的次数很少，进程调度执行频繁。09-处理机管理-1作业的概念主要用于批处理系统，这类系统的设计目标是最大限度地发挥各种资源的利用率和保持系统内各种活动的充分并行。作业调度的目标是合理搭配对资源具有不同需求的作业，使系统中各部分资源得到均衡使用。分时系统中，用户与系统直接交互，通过键盘、鼠标等直接创建和启动进程，不再需要作业调度。类似地，实时系统也不需要作业调度。下面主要考虑CPU调度（进程调度）的设计问题。作业调度

09-处理机管理-1处理机调度（CPU调度）要解决的问题WHAT：按什么原则分配CPU

—进程调度算法WHEN：何时分配CPU

—进程调度的时机HOW：如何分配CPU

—CPU调度过程（进程的上下文切换）09-处理机管理-1性能评价标准确定调度策略时考虑的主要因素：1、应保证实现系统的设计目标。2、公平对待所有作业或进程。3、均衡使用资源，尽量使系统中各种资源都同时得到利用。4、兼顾响应时间和资源利用率。5、基于相对优先级，但避免无限延期。6、系统开销不应太大。09-处理机管理-1进程调度算法确定算法的原则公平：保证每个进程得到合理的CPU时间高效：CPU保持忙碌状态，CPU利用率高响应时间：交互式系统，越短越好周转时间：使批处理用户等待时间尽可能短吞吐量：批处理系统情况下，单位时间内处理的进程个数尽可能多09-处理机管理-1算法的评价标准很多，而且有些是互相矛盾的。根据应用领域的不同，可以采用不同的评价标准。根据不同的评价标准，可以选出不同的调度算法。（1）响应时间。从提交请求到收到第一个应答所需要的时间。用户的请求是由进程处理的，因此：响应时间＝进程等待运行的时间＋产生第一个输出的时间。当然，在输出第一个应答以后，进程仍然可以继续运行，并产生其它输出。性能评价标准09-处理机管理-1好的调度算法应使进程等待运行的时间尽可能地短，也就是说，应尽快地将用户的请求递交给处理进程，并尽快地让它投入运行。响应时间是用户可以直接感受的。研究表明，响应时间越短，人的注意力就越容易集中，生产率就会越高。0.250.50.751.001.251.505001000150020002500300035004000响应时间事务数/小时高手新手平均性能评价标准09-处理机管理-1（2）周转时间。从进程创建到终止之间的时间间隔，包括进程实际的运行时间、等待资源的时间、等待调度的时间等。好的调度算法应尽量减少进程等待调度的时间，从而减少其周转时间。由于不同进程所完成的工作不同，其周转时间很难统一。但是，如果同样的一组进程，在同样的机器上运行，其周转时间越短，调度算法就越好。性能评价标准09-处理机管理-1（3）死线（Deadline）。一个进程最后完成的期限。如果允许进程声明自己的死线，那么好的调度算法应尽可能的满足各进程的死线要求，并支持尽可能多的进程。（4）吞吐量。单位时间内完成的任务（进程）数量。从系统角度来看，处理器调度的目的是最大化处理器的利用率。吞吐量取决于每个进程的运行长度，但它也受调度算法的影响。性能评价标准09-处理机管理-1（5）处理器利用率。百分比，表示处理器有多忙。对于大型计算机系统，这是一个重要指标，但对PC机、实时系统等来说，并不太重要。（6）就绪等待时间。进程在就绪队列中的等待时间。调度算法不真正影响进程的执行时间或I/O操作的时间，它仅影响进程在就绪队列中的等待时间。（7）公平。公平对待各个进程，不会出现饿死现象。性能评价标准09-处理机管理-1（8）优先级。高优先级的进程应该受到照顾。（9）均衡利用资源。保证系统中的资源都处于忙状态。不太使用紧缺资源的进程应该受到重视，从而平衡资源的使用。（10）可预言性（Predictability）。同一个程序（作业）的每次运行应该花费大致相同的时间和代价，不管系统的负载情况如何。性能评价标准09-处理机管理-1上述的标准都是独立的，又是互相影响的，很难设计一种满足所有标准的调度算法。如要缩短响应时间，就必须尽快地在各个进程之间切换CPU，这必然会增加系统的开销，从而降低系统的总吞吐量。在设计调度算法时，应综合考虑各种情况，在各种策略和标准之间找到一个折中，其关键是满足系统的总体设计目标。性能评价标准09-处理机管理-1各种进程调度算法一、先来先服务（FCFS）

基本思想：按进程（作业）到来的先后次序进行调度，先来先服务。

优点：实现简单

缺点：没考虑进程的优先级例：有三个进程，它们按1、2、3的顺序处于就绪队列中 进程 运行时间

P1 24 P2 3 P3 309-处理机管理-1按FCFS算法调度，执行情况如下：P1P2

P30242730此时P1的周转时间：TT1＝24，P2的周转时间：

TT2＝27，P3的周转时间：

TT3＝30平均同转时间为： ATT＝（24＋27＋30）／3＝2709-处理机管理-1如果不是按FCFS原则调度而是按如下方式执行：P2P3P1

03630则平均周转时间 ATT＝（3＋6＋30）／3＝13这个结果比上面27减少了一半多。说明了什么？09-处理机管理-1二、短进程优先(SPN--ShortestProcessNext)

基本思想：当CPU可供使用时，SPN算法就把CPU分给最短的进程。所谓进程的长短是指进程要求运行时间的多少。

优点：对一组给定的进程，SPN法给出最小的平均等待时间。缺点：当一个长进程进入就绪队列之后，若后面连续进入较短的进程，则前面这个进程就要一直等下去而无法运行。

*作业调度中的算法称为短作业优先