第三章 处理机调度与死锁

1. 第三章 处理机调度与死锁

2. 第三章 处理机调度与死锁 3.1 处理机调度的基本概念 3.2 进程调度算法 3.3 实时调度 3.4 多处理机系统中的调度 3.5 产生死锁的原因和必要条件 3.6 预防死锁的方法和死锁避免 3.7 死锁的检测和解除

3. 3.1 处理机调度的基本概念 在多道程环境下，进程数目往往多于处理机数目，致使它们争用处理机。这就要求系统能按某种算法，动态地把处理机分配给就绪队列中的一个进程，使之执行。分配处理机的任务是由进程调度程序完成的。它是操作系统设计的中心问题之一。

4. 1. 高级、中级和低级调度 • 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

5. 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

6. 2.进程调度的任务 进程调度的任务是控制协调进程对CPU的竞争,即按一定的调度算法从就绪队列中选中一个进程，把CPU的使用权交给被选中的进程

7. 3.确定算法的原则 • 具有公平性 • 资源利用率高（特别是CPU利用率） • 在交互式系统情况下要追求响应时间（越短越好） • 在批处理系统情况下要追求系统吞吐量

8. 4.进程调度方式 • 非剥夺方式：分派程序一旦把处理机分配给某进程后便让它一直运行下去，直到进程完成或发生某事件而阻塞时，才把处理机分配给另一个进程。 • 剥夺方式：当一个进程正在运行时，系统可以基于某种原则，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：优先权原则、短进程优先原则、时间片原则。

9. 5.进程调度性能衡量的指标 • 周转时间 • 响应时间 • CPU-I/O执行期

10. 6.进程调度模型 1)只有进程调度的调度队列模型 图 3 - 1 仅具有进程调度的调度队列模型

11. 2)具有高低级调度的调度队列模型 图 3-2 具有高、低两级调度的调度队列模型

12. 3)具有三级调度的调度队列模型 图 3-3 具有三级调度时的调度队列模型

13. 7.选择进程调度方式的准则 • 面向用户的准则：周转时间短；响应时间快；截止时间的保证；优先权准则 • 面向系统的准则：系统吞吐量高；处理机利用率好；各类资源的平衡利用

14. 作业周转时间 • 如果作业i提交给系统的时刻是ts，完成时刻是tf，该作业的周转时间ti为： ti = tf - ts 实际上，它是作业在系统里的等待时间与运行时间之和。

15. 平均作业周转时间 • 为了提高系统的性能，要让若干个用户的平均作业周转时间和平均带权周转时间最小。 平均作业周转时间 T = (Σti) / n

16. 作业带权周转时间和平均作业带权周转时间 • 如果作业i的周转时间为ti，所需运行时间为tk，则称wi=ti /tk为该作业的带权周转时间。 • ti是等待时间与运行时间之和，故带权周转时间总大于1。 平均作业带权周转时间W = (Σwi) / n

17. 2)响应时间 •交互式进程从提交一个请求(命令)到接收到响应之间的时间间隔称响应时间。 •使交互式用户的响应时间尽可能短，或尽快处理实时任务。 •这是分时系统和实时系统衡量调度性能的一个重要指标。

18. 3.2 进程调度算法 • 先进先出(FIFO)算法 • 最短CPU运行期优先调度算法 • 最高优先权优先调度算法 • 轮转法 • 多级反馈队列

19. 1.先进先出(FIFO)算法 该算法总是把处理机分配给最先进入就绪队列的进程，一个进程一旦分得处理机，便执行下去，直到该进程完成或阻塞时，才释放处理机。 优点:实现简单. 缺点:没考虑进程的优先级

20. 2.最短CPU运行期优先调度算法 • 该算法从就绪队列中选出“下一个CPU执行期”最短的进程，为之分配处理机。 • 该算法虽可获得较好的调度性能，但难以准确地知道下一个CPU执行期，而只能根据每一个进行的执行历史来预测。

21. 3.FCFS和SJF的性能比较 图 3-4 FCFS和SJF调度算法的性能

22. 4.最高优先权优先调度算法 该算法总是把处理机分配给就绪队列中具有最高优先权的进程。常用以下两种方法来确定进程的优先权(优先级根据优先数来决定) • 静态优先数法：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。依据有：进程类型、进程对资源的要求、用户要求的优先权。 • 动态优先数法：在进程创建时创立一个优先数，但在其生命周期内优先数可以动态变化。如等待时间长优先数可改变

23. 5.高响应比优先调度算法 优先权的变化规律可描述为： 由于等待时间与服务时间之和，就是系统对该作业的响应时间，故该优先权又相当于响应比RP。据此，又可表示为：

24. 6. 轮转法 把CPU划分成若干时间片,并且按顺序赋给就绪队列中的每一个进程，进程轮流占有CPU，当时间片用完时，即使进程未执行完毕，系统也剥夺该进程的CPU，将该进程排在就绪队列末尾。同时系统选择另一个进程运行 • 简单轮转法：系统将所有就绪进程按FIFO规则排队，按一定的时间间隔把处理机分配给队列中的进程。这样，就绪队列中所有进程均可获得一个时间片的处理机而运行。 • 多级队列方法：将系统中所有进程分成若干类，每类为一级。

25. 7.分时系统中常用时间片轮转法 时间片选择问题： 固定时间片 可变时间片 与时间片大小有关的因素： 系统响应时间 就绪进程个数 CPU能力

26. 1)简单轮转法的调度模型

27. 2)多队列反馈调度算法 将就绪队列分为N级，每个就绪队列分配给不同的时间片，队列级别越高，时间越长，级别越小，时间片越小，最后一级采用时间片轮转，其他队列采用先进先出； 系统从第一级调度，当第一级为空时，系统转向第二个队列，.....当运行进程用完一个时间片，放弃CPU时，进入下一级队列；等待进程被唤醒时，进入原来的就绪队列；当进程第一次就绪时，进入第一级队列

28. * 首先系统中设置多个就绪队列 * 每个就绪队列分配给不同时间片，优先级高的为第一级队列，时间片最小，随着队列级别的降低，时间片加大 * 各个队列按照先进先出调度算法 * 一个新进程就绪后进入第一级队列 * 进程由于等待而放弃CPU后，进入等待队列，一旦等待的事件发生，则回到原来的就绪队列 * 当有一个优先级更高的进程就绪时，可以抢占CPU，被抢占进程回到原来一级就绪队列末尾 * 当第一级队列空时，就去调度第二级队列，如此类推 * 当时间片到后，进程放弃CPU，回到下一级队列

29. 3)多队列反馈调度算法

30. 8.进程调度的时机 • 当一个进程运行完毕，或由于某种错误而终止运行 • 当一个进程在运行中处于等待状态（等待I/O） • 分时系统中时间片到 • 当有一个优先级更高的进程就绪（可抢占式） 例如：新创建一个进程，一个等待进程变成就绪 • 在进程通信中，执行中的进程执行了某种原语操作（P操作，阻塞原语，唤醒原语）

31. 何时切换进程 只要OS取得对CPU的控制，进程切换就可能发生，如: • 超级用户调用 • 来自程序的显式请求 (如：打开文件)，该进程通常会被阻塞 • 陷阱 • 最末一条指令导致出错，会引起进程移至退出状态 • 中断 • 外部因素影响当前指令的执行，控制被转移至IH（中断处理程序）

32. 9.引起进程调度的原因 • 正在执行的进程执行完毕或因发生某事件而不能再继续执行； • 执行中的进程因提出I/O请求而暂停执行； • 在进程通信或同步过程中执行了某种原语操作如P操作、阻塞、挂起原语等； • 在可剥夺式调度中，有比当前进程优先权更高的进程进入就绪队列； • 在时间片轮转法中，时间片完。 • 通常系统是按先来先服务或优先权形式来组织调度队列。

33. 本 章 小 结 • CPU是计算机系统中一个十分重要的资源，本章主要介绍处理机的调度目标、策略以及评价方法等。 • 因为处理机调度程序不可能选择全部驻留在外存的进程，因此，在调度一个进程占有处理机之前，系统必须按某种策略把外存中处于后备状态的作业选择出来，并创建进程和分配内存，为进程执行准备必需的资源。这一步称为作业调度或高级调度。作业调度的目标是尽量做到公平合理，能执行尽可能多的作业、尽快地响应时间以及高的设备利用率等。任一调度算法要同时满足这些调度目标是不可能的。大多数操作系统都是根据用户需要而采用兼顾某些目标的方法。

34. 比较常用的作业调度算法有：FCFS方法、SJF（最短作业优先）法、HRN（最高响应比）法等。这几种方法各有特点。其中FCFS法系统开销小，且对每个作业来说按其到达顺序被依次调度。FCFS法不利于短作业。SJF法可得到最大系统吞吐率，即每天处理的作业个数最多。但是SJF法有可能使长作业永远没有机会执行。HRN法是介于FCFS法和SJF法之间的一种方法。比较常用的作业调度算法有：FCFS方法、SJF（最短作业优先）法、HRN（最高响应比）法等。这几种方法各有特点。其中FCFS法系统开销小，且对每个作业来说按其到达顺序被依次调度。FCFS法不利于短作业。SJF法可得到最大系统吞吐率，即每天处理的作业个数最多。但是SJF法有可能使长作业永远没有机会执行。HRN法是介于FCFS法和SJF法之间的一种方法。 • 除了作业调度之外，还介绍了一种称为交换调度的中级调度。在有的系统中，把那些处于等待状态或就绪状态的进程换出内存，而把那些等待事件已经发生或已在外存交换区中等待了较长时间的进程换入内存。

35. 只有在进程被建立起来并且已获得足够的资源之后，系统才使用进程调度策略把处理机分配给选出进程。因此，处理机的调度涉及到三个层次的调度。进程调度的主要任务是选择一个合适的进程占据处理机。根据系统的要求不一样，进程调度方法变化较大。比较常用的有RR（轮转）法、FCFS（先来先服务）法、优先级法和SRR（线性优先级）法等。其中轮转法主要用于分时系统，它具有较好的响应时间，且对每个进程来说都具有较好的公平性。FCFS法不利于执行时间短的进程，而SRR法则是介于FCFS法和RR法之间的一种进程调度方法。只有在进程被建立起来并且已获得足够的资源之后，系统才使用进程调度策略把处理机分配给选出进程。因此，处理机的调度涉及到三个层次的调度。进程调度的主要任务是选择一个合适的进程占据处理机。根据系统的要求不一样，进程调度方法变化较大。比较常用的有RR（轮转）法、FCFS（先来先服务）法、优先级法和SRR（线性优先级）法等。其中轮转法主要用于分时系统，它具有较好的响应时间，且对每个进程来说都具有较好的公平性。FCFS法不利于执行时间短的进程，而SRR法则是介于FCFS法和RR法之间的一种进程调度方法。

36. 3.3 实 时 调 度 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、资源优先级) • 系统处理能力强 • 采用抢占式调度机制 • 具有快速切换机制

37. 2.实时调度算法的分类 • 1)非抢占式调度算法 : • 非抢占式轮转调度算法 • 非抢占式优先调度算法 • 2)抢占式调度算法: • 基于时钟中断的抢占优先调度算法 • 立即抢占优先权调度算法。

38. 图 3-5 实时进程调度

39. 3.常用的几种实时调度算法 1）最早截止时间优先即EDF(Earliest Deadline First)算法 图 3-6 EDF算法用于非抢占调度方式

40. 2）最低松弛度优先(LLF)算法 该算法是根据任务紧急(或松弛)的程度，来确定任务的优先级。该算法主要用于可抢占调度方式中。 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 20 ms执行一次，执行时间为 10 ms；任务B只要求每50 ms执行一次，执行时间为 25 ms。 图 3-7 A和B任务每次必须完成的时间

41. 在刚开始时(t1=0)，A1必须在20ms时完成，而它本身运行又需 10 ms，可算出A1的松弛度为10ms；B1必须在50ms时完成， 而它本身运行就需25 ms，可算出B1的松弛度为25 ms，故调度程序应先调度A1执行。在t2=10 ms时，A2的松弛度可按下式算出：  A2的松弛度=必须完成时间-其本身的运行时间-当前时间 =40 ms-10 ms-10 ms=20 ms 类似地，可算出B1的松弛度为15ms，调度程序应选择B2运行。t3=30 ms时，A2的松弛度已减为0，B1的松弛度为15 ms，于是调度程序应抢占B1的处理机而调度A2运行……. 图 3-8 利用ELLF算法进行调度的情况

42. 3.4 多处理机系统中的调度 1.多处理器系统的类型 (1) 紧密耦合(Tightly Coupted)MPS。 (2) 松散耦合(Loosely Coupled)MPS。 2.对称多处理器系统和非对称多处理器系统 3.进程分配方式 (1)对称多处理器系统中的进程分配方式 静态分配(Static Assigenment)方式 动态分配(Dynamic Assgement)方式 (2)非对称MPS中的进程分配方式 4. 进程(线程)调度方式 (1）自调度(Self-Scheduling)方式 （2）成组调度(Gang Scheduling)方式

43. 3.5 产生死锁的原因和必要条件

44. 3.5.1 死锁的概念 1.死锁例子: • 一个由于申请不同类型资源而产生死锁的例子 • 设系统有一台打印机(R1)一台扫描仪(R2)，两进程共享这两台设备。 • 用信号量S1表示R1是否可用，用信号量S2表示R2是否可用， S1、 S2初值为1。

45. 死锁例子 这两个进程在并发执行过程中，可能会发生死锁。大家可以思考一下，如何修改，进程才不会发生死锁。

46. 2.死锁概念 • 指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。 • 即：一组进程中，每个进程都无限等待被该组进程中另一进程所占有的资源，因而永远无法得到的资源，这种现象称为进程死锁，这一组进程就称为死锁进程。

47. 3.关于死锁的一些结论 • 参与死锁的进程最少是两个 • 参与死锁的进程至少有两个已经占有资源 • 参与死锁的所有进程都在等待资源 • 参与死锁的进程是当前系统中所有进程的子集 注：如果死锁发生，会浪费大量系统资源，甚至导致系统崩溃。

48. 4.永久性资源和临时性资源 永久性资源：可以被多个进程多次使用（可再用资源） • 可抢占资源 • 不可抢占资源 临时性资源：只可使用一次的资源；如信号量,中断信号，同步信号等（可消耗性资源） “申请--分配--使用--释放”模式

49. 3.5.2 产生死锁的原因 1.竞争系统资源 2.进程的推进顺序不当

50. 1. 竞争系统资源 若系统中只有一台打印机R1和一台读卡机R2，可供进程P1和P2共享。若形成环路，这样会产生死锁。