处理机调度与死锁
处理机调度与死锁
- 处理机调度相关概念
- 常用调度算法
- 实时调度
- 产生死锁的原因和必要条件
- 预防死锁的方法
- 死锁的检测与解除
一、处理机调度的基本概念
处理机调度：多道程序环境下，动态的把处理机分配给就绪队列中的一个进程使之执行。 提高处理机的利用率、改善系统性能。分配的任务由处理机调度程序完成。
-
高级调度（High Scheduling）
主要在早期批处理阶段，处理在外存上的作业。 决定外存后备队列中的哪些作业调入内存; 为它们创建进程、分配必要的资源; 将新创建的进程排在就绪队列上，准备执行。
在每次执行作业调度时，都须作出两个决定： -
接纳多少作业——取决于多道程序度。应根据系统的规模和运行速度等情况综合考虑。
-
接纳哪些作业——取决于采用的调度算法。如先来先服务，短作业优先等
1、批处理系统：作业进入系统后先驻留外存，故需要有作业调度。
2、分时系统：为及时响应，作业由终端直接送入内存，故不需作业调度。
3、实时系统中，通常也不需作业调度。 -
低级调度（Low Level Scheduling）
决定内存就绪队列中的哪个进程获得处理机，进行分配工作。是最基本的一种调度，在三种基本OS中都有。
进程调度方式
1）非抢占方式（Non-preemptive Mode） 一旦处理机分配给某进程，该进程一直执行。决不允许其他进程抢占已分配运行进程的处理机。
2）抢占方式（Preemptive Mode） 允许调度程序根据某种原则，暂停某个正在执行的进程，将处理机重新分配给另一进程。
- 中级调度（Intermediate-Level Scheduling）
提高内存利用率和系统吞吐量。根据条件将一些进程调出或再调入内存。
| 调度类型 |
运行频率 |
运行时间 |
算法复杂性 |
| 进程调度 |
高 |
短 |
低 |
| 中程调度 |
中等 |
较短 |
中等 |
| 作业调度 |
低 |
长 |
高 |
- 调度队列模型
仅有进程调度的调度队列模型
具有高级和低级调度的调度队列模型
同时具有三级调度的调度队列模型
进程调度什么时候发生？或者说什么时候需要进程调度程序执行去给CPU做选择？
正在执行的进程结束
正在执行的进程阻塞
正在执行的进程未完成转就绪（时间片到）
新就绪了更高优先级的进程（抢占式）
-
选择调度方式和调度算法的若干准则
-
面向用户
1.周转时间短,作业从提交到完成所经历的时间。 CPU执行用时Ts 总的等待时间Tw = 在后备队列中等待 + 就绪队列上等待 + 阻塞队列中等待（等待I/O操作用时） 周转时间T=Ts+Tw 带权周转时间W= T/Ts 平均周转时间、平均带权周转时间（n个作业求平均）
2.响应时间快：针对分时系统。用户输入一个请求（如击键）到系统给出首次响应（如屏幕显示）的时间
3.均衡性：系统响应时间的快慢与用户所请求的复杂性相适应。
4.截止时间的保证：针对实时系统的性能指标。开始截止时间和完成截止时间。任务必须按规定的时间开始或完成，调度方式和算法必须能保证该要求。
5.优先权准则：三大基本OS在调度算法的选择时都可遵循。可以使关键任务达到更好的指标。 -
面向系统
1.系统吞吐量高：批处理系统的重要指标。
2.单位时间内所完成的作业数，跟作业本身（与作业平均长度密切相关）和调度算法都有关系；
3.处理机利用率好(主要针对大中型主机)
4.各类资源的平衡利用(主要针对大中型主机)
二、常用调度算法
1、先来先服务调度算法FCFS
(First Come First Service) 一种最简单的调度算法，按先后顺序进行调度。既可用于作业调度，也可用于进程调度。 按照作业提交，或进程变为就绪状态的先后次序分派CPU； 新作业只有当当前作业或进程执行完或阻塞才获得CPU运行 被唤醒的作业或进程不立即恢复执行，通常等到当前作业或进程出让CPU。 （所以，默认即是非抢占方式）
不利于短作业（进程）有利于CPU繁忙型的作业，而不利于I/O繁忙的作业（进程）。
2. 短作业（进程）优先调度算法SJF/SPF
优点： 通过上表可见采用SJF/SPF算法，平均周转时间、平均带权周转时间都有明显改善。SJF/SPF调度算法能有效的降低作业的平均等待时间，提高系统吞吐量。 方式： 分抢占和非抢占两种方式，上例为简单的非抢占式。
Gantt(甘特)图：常用水平线段来描述每个进程的进度。可以表示每个进程的开始时间和完成时间，线段的长度表示进程完成所需要的时间。
SJF/SPF的不足：
1). 对短作业有利，但同时造成了对长作业的不利。
2).由于作业（进程）的长短含主观因素，不一定能真正做到短作业优先。
3).未考虑作业的紧迫程度，因而不能保证紧迫性作业（进程）的及时处理。
3. 高优先权优先调度算法HPF Highest Priority First
照顾紧迫性作业，使其获得优先处理而引入调度算法。常用于批处理系统中的作业调度算法，以及多种操作系统中的进程调度算法
1).非抢占式优先权算法 抢占式优先权算法
2).优先权的类型
静态优先权：创建进程时确定，整个运行期间保持不变。一般利用某一范围的一个整数来表示，又称为优先数。
动态优先权：创建进程时赋予的优先权可随进程的推进或随其等待时间的增加而改变。
高响应比优先调度算法HRRN Highest Response Raito Next
短作业优先算法是一种比较好的算法（相当于根据作业长度设定的静态优先权算法），适用于短作业较多的批处理系统中，其主要不足是长作业的运行得不到保证。
HRRN为每个作业引入动态优先权，使作业的优先级随着等待时间的增加而以速率a提高： 优先权 =（等待时间+要求服务时间)/要求服务时间 = 响应时间 / 要求服务时间
3. 基于时间片的轮转调度算法RR (Round Robin)
分时系统新需求：及时响应用户的请求；采用基于时间片的轮转式进程调度算法。
早期分时系统采用的是简单的时间片轮转法，进入90年代后广泛采用多级反馈队列调度算法。 下面分开介绍这两种方法并比较性能。
（1）时间片轮转算法
将系统中所有的就绪进程按照FCFS原则，排成一个队列。 每次调度时将CPU分派给队首进程，让其执行一个时间片。时间片的长度从几个ms到几百ms。 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，并通过上下文切换执行当前就绪的队首进程。
进程阻塞情况发生时，未用完时间片也要出让CPU
能够及时响应，但没有考虑作业长短等问题。
时间片长度的选择要与完成一个基本的交互过程所需的时间相当，保证一个基本的交互过程可在一个时间片内完成。 设置不合适反而都会导致响应时间长。 过长会怎样？——FCFS 过短会怎样？——频繁切换
（2）多级反馈队列算法FB (Multiple-level Feed Back Queue)
特点：多个就绪队列，循环反馈 动态优先级、时间片轮转
1）设置多个就绪队列，各队列有不同的优先级,优先级从第一个队列依次降低。
2） 赋予各队列进程执行时间片大小不同, 优先权越高，时间片越短。
3）当一个新进程进入内存，引发的调度过程 准备调度：先将它放入第一个队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。 IF时间片内完成，便可准备撤离系统； IF时间片内未能完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾等待再次被调度执行。 当第一队列中的进程都执行完，系统再按FCFS原则调度第二队列。在第二队列的稍放长些的时间片内仍未完成，再依次将它放入第三队列。 依次降到第n队列后，在第n队列中便采取按时间片轮转的方式运行。
注意： 各队列的时间片逐渐增大。优先级逐渐降低 仅当优先权高的队列（如第一队列）空闲时，调度程序才调度第二队列中的进程运行；仅当第1~（i-1）队列均空时，才会调度第i队列中的进程运行。 高优先级抢占问题: 第i队列中为某进程正占有CPU，又有新进程进入优先权较高的队列（第1~i-1队中）； 被抢占的进程放回原就绪队列末尾；
多级反馈队列调度算法具有较好的性能，能较好的满足各种类型用户的需要。
终端型作业用户。大多属于较小的交互性作业，只要能使作业在第一队列的时间片内完成，便可令用户满意。
短批处理作业用户。周转时间仍然较短，至多在第二到三队列即可完成。
长批处理作业用户。将依次在1~n级队列中轮转执行，不必担心作业长期得不到处理。
| 算法名称 |
特点 |
方式 |
| FCFS |
最简单 不利于短作业 |
非抢占 |
| SJF/SPF |
照顾平均周转时间 不适于长作业 |
非抢占/抢占 |
| HPF/HRRN |
优先权考虑全面 |
非抢占/抢占 |
| RR |
及时响应 简单 |
时间片抢占 |
| FB |
最综合的一种算法 |
时间片抢占/ 立即抢占 |
三、实时调度
系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务。 指计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正确性，也取决于结果产生的时间，如果系统的时间约束条件得不到满足，将会发生系统出错。
实时任务：具有明确时间约束的计算任务，有软/硬，随机/周期性之分。
1. 实现实时调度的基本条件
1）提供必要的信息 为了实现实时调度，系统应向调度程序提供有关任务的下述信息： 就绪时间。 开始截止时间、完成截止时间。 处理时间。 资源要求。 优先级。
2）系统处理能力足够强
3）采用抢占式调度机制
4）具有快速切换机制
2. 实时调度算法的分类
1）非抢占调度算法
该算法较简单，用于一些小型实时系统或要求不太严格的实时系统中，
2）抢占式调度算法
较严格的实时系统中，选择采用抢占式优先权调度算法。根据抢占发生时间可分为： 基于时钟：某高优先级任务到达后并不立即抢占，而等下一个时钟中断时抢占。 立即抢占：一旦出现外部中断，只要当前任务未处于临界区，就立即抢占处理机。
3. 常用的几种实时调度算法
1）最早截止时间优先EDF （Earliest Deadline First）
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，其优先级越高。 系统保持一个实时任务就绪队列 队列按各任务截止时间的早晚排序
调度程序总是选择就绪队列中的第一个任务，分配处理机使之投入运行。
新任务产生时，是否等当前程序执行完： 抢占式/非抢占式
可能会使作业错过，但可适用于软实时系统
2）最低松弛度优先LLF （Least Laxity First）
根据任务紧急（或松弛）的程度，来确定任务的优先级。任务的紧急程度越高（松弛度值越小），优先级就越高。
松弛度= 截止完成时间 – 还需执行时间 - 当前时间
可理解为当前时刻到开始截止时刻间的差距，随着时间的推进，这个差值逐渐变小，任务越来越紧迫。
四、产生死锁的原因和必要条件
死锁（Deadlock）：指多个进程在运行过程中，因争夺资源而造成的一种僵局。当进程处于这种状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。
1、产生死锁的原因可归结为如下两点：
1）竞争资源。系统中供多个进程共享的资源如打印机、公用队列等的数目不满足需要时，会引起资源竞争而产生死锁。
2）进程间推进顺序非法。进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，同样会导致死锁。
2、产生死锁的必要条件
1） 互斥条件：进程对所分配到的资源进行排他性使用
2）请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，又提出新的资源请求，而新请求资源被其他进程占有只能造成自身进程阻塞，但对自己已获得的其他资源保持不放，必然影响其他进程。
3）不剥夺条件：进程已获得的资源未使用完之前不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
4）环路等待条件
3、处理死锁的基本方法
事先预防：
预防死锁
设置限制条件，破坏四个必要条件的一个或几个，预防发生死锁。 较易实现。限制条件的严格也会导致系统资源利用率和系统吞吐量降低。
避免死锁
不须事先限制，破坏四个必要条件，而是在资源的动态分配过程中，用某种方法去防止系统进入不安全状态，从而避免发生死锁。 这种事先加以较弱限制的方法，实现上有一定难度，但可获较高的资源利用率及系统吞吐量，目前在较完善的系统中，常用此方法来避免发生死锁。
事后处理：
检测死锁。
允许系统运行过程中发生死锁，但通过系统检测机构可及时的检测出，能精确确定与死锁有关的进程和资源；然后采取适当的措施，从系统中将已发生的死锁清除掉。
解除死锁。
与死锁检测配套的一种措施。 常用的实施方法：撤销或挂起一些进程，以便回收一些资源并将他们分配给已阻塞进程，使之转为就绪以继续运行。 死锁的检测与解除措施，有可能使系统获得较好的资源利用率和吞吐量（死锁几率不一定很高），但在实现上难度也最大。
五、预防死锁的方法
1、预防死锁
资源的排他性无法更改，故在其他3个条件上入手
-
摒弃“请求和保持”条件：所有进程开始运行前，必须一次性的申请其在整个运行过程所需的全部资源（AND）。算法简单、易于实现且很安全。但缺点是资源浪费严重、或进程延迟运行。
-
摒弃“不剥夺”条件：允许进程先运行，但当提出的新要求不被满足时必须释放它已保持的所有资源，待以后需要时再重新申请。实现比较复杂且付出很大代价。可能会造成前功尽弃，反复申请和释放等情况。
-
摒弃“环路等待”条件 有序设置资源：将所有资源按类型进行线性排队，赋予不同序号。所有进程对资源的请求必须严格按照资源序号递增的次序提出，这样在所形成的资源分配图中，不可能会出现环路。 与前两种策略比较，资源利用率和系统吞吐量都有较明显的改善。但也存在严重问题： 资源编号限制新设备的增加； 应用中的使用设备顺序与规定的顺序并不协调； 限制了用户编程自由。
2.避免死锁
上采用避免死锁的方法则是只施加较弱限制条件，从而获得令人满意的系统性能。
安全状态：系统能按某种进程顺序为每个进程分配所需资源，直至满足每个进程对资源的最大需求，并能顺利完成。
不安全状态：系统无法找到一种使多个进程能够顺利分配资源执行完的安全序列。
银行家算法避免死锁
1）银行家算法中的数据结构 （1）各类可利用资源的数量 向量Available ：（i1，i2，…，im），含m个元素，每个元素代表一类可利用的资源数目。 动态变化的，初始值是系统配置的该类资源的全部数目，值随资源的分配与回收而动态的改变。 实现：一维数组。Available【j】=K，表示系统中Rj类资源现有可用数量为K个。
（2）每个进程对每类资源的需求 最大需求、已获得的、还需要的 最大需求矩阵Max n*m，系统中n个进程中每个进程分别对m类资源的最大需求。 取值：根据进程需求赋初始值。 实现：二维数组。Max【i，j】=K，表示进程 i 需要Rj类资源的最大数目为K。
已分配矩阵Allocation。 nm，定义系统中每一进程已获得的每类资源数量。 Allocation【i，j】=K，表示进程i当前已分得Rj类资源数为K。 还需求的矩阵Need。 nm，表示每一进程尚需的各类资源数。 Need【i，j】=K，表示进程i还需要Rj类资源K个，方能完成任务。 上述三个矩阵存在关系： Max【i，j】= Allocation【i，j】+Need【i，j】 每次，给进程 i 分配资源的动作，影响上述数据结构的取值： Available【 】，Allocation【i，】，Need【i，】
##六、死锁的检测与解除
当系统为进程分配资源时，若未采取任何限制性措施，则系统必须提供检测和解除死锁的手段，为此系统必须： 保存有关资源的请求和分配信息； 提供一种算法，以利用这些信息来检测系统是否已进入死锁状态。
1、资源分配图
系统死锁可利用资源分配图来描述。 圆圈表示进程 方框表示一类资源，其中的一个点代表一个该类资源 请求边由进程指向方框中的资源 分配边则由方框中的一个点即资源。
2、死锁定理
利用资源分配图简化法来检测死锁。 简化方法如下： 1.在资源分配图中找出一个既不阻塞又非独立的进程结点Pi，在顺利的情况下运行完毕，释放其占有的全部资源。 2.由于释放了资源，这样能使其它被阻塞的进程获得资源继续运行。消去了Pi的边。 3.经过一系列简化后，若能消去图中所有边，使结点都孤立，称该图是可完全简化的。 S状态为死锁状态的充分条件是当且仅当S状态的资源分配图是不可完全简化的。
死锁检测算法： *每个进程和资源指定唯一编号 ,设置一张资源分配表 ,记录各进程与其占用资源之间的关系 ,设置一张进程等待表,记录各进程与要申请资源之间的关系.
3、 死锁的解除
