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. 进程调度要解决的问题 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）

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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。

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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。

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

19. 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

20. 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：

21. 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。

22. 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

23. 1)简单轮转法的调度模型

24. 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

25. * 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

26. 3)多队列反馈调度算法

27. 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）

28. 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）

29. 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。

30. 10.进程调度算法 • 其中，RQ为就绪队列指针，EP为运行队列指针。

31. 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

32. 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。

33. 图 3-5 实时进程调度

34. 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

35. 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

36. 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

37. 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

38. 第三章 处理机调度与死锁 3.5 产生死锁的原因和必要条件

39. 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。

40. 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。

41. 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。

42. 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。

43. 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

44. 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

45. 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。

46. 2.进程的推进顺序不当 • 在进程P1和P2并发执行时，按照左图曲线①②③所示顺序推进时，两进程会顺利完成，我们称这种推进顺序是合法的。若按曲线④的顺序推进时，进入不安全区D内，两进程再推进会产生死锁。

47. 3.5.3 产生死锁的必要条件 • 互斥条件（资源独占） • 请求和保持条件（部分分配，占有申请） • 不剥夺条件（不可强占） • 环路等待条件。

48. 解决死锁的基本办法 • 预防死锁 • 避免死锁 • 检测死锁 • 解除死锁

49. 3.6 预防死锁的方法和避免死锁 1.预防死锁的方法 在系统设计时确定资源分配算法，保证不发生死锁。具体的做法是破坏产生死锁的四个必要条件之一。 1)资源一次性分配；(破坏请求和保持条件) 2)可剥夺资源；即当某进程新的资源未满足时，释放已占有的资源(破坏不可剥夺条件) 3)资源有序分配法；做法：系统给每类资源赋予一个编号，每一个进程按编号递增的顺序请求资源，释放则相反(破坏环路等待条件)

50. 2. 死锁避免 • 死锁避免定义:在系统运行过程中，对进程发出的每一个系统能够满足的资源申请进行动态检查，并根据检查结果决定是否分配资源，若分配后系统可能发生死锁，则不予分配，否则予以分配。 • 预防死锁的几种策略，会严重地损害了系统性能。因此要施加较弱的限制，从而获得较满意得系统性能来避免死锁。 • 由于在避免死锁的策略中，允许进程动态地申请资源。因而，系统在进行资源分配之前预先计算资源分配的安全性。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，进程等待。其中最具有代表性的避免死锁算法是银行家算法。