操作系统笔记 第三章 处理机调度与死锁

一、处理机调度相关基本概念

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，很大程度上取决于处理机调度的性能。
处理机调度便成为OS设计的中心问题之一。分配的任务由处理机调度程序完成。

作业进入系统驻留在外存的后备队列上，再至调入内存运行完毕，可能要经历下述三级调度。
高级调度（High Scheduling）
中级调度（Intermediate-Level Scheduling）
低级调度（Low Level Scheduling）

1、高级调度（High Scheduling）

又称作业调度或长程调度(Long-Term Scheduling),接纳调度(Admission 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。
* 管理的方面比较多。

• 作业调度决定的细节
  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（后面详细介绍）
• 系统运行并不一定存在高级调度
  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。
  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。
  实时系统中，通常也不需作业调度。

2、低级调度（Low Level Scheduling）

也称为进程调度、微观调度或短程调度（Short-Term 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。

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。

调度程序的任务职能：调度和分派。
(1) 记录系统中所有进程的有关情况
(2) 确定分配处理机的原则
(3) 分配处理机给进程
(4) 从进程收回处理机

3、中级调度（Intermediate-Level Scheduling）

	又称交换调度或中程调度（Medium-Term Scheduling）
	引入目的：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。

进程调度：运行频率最高，算法不能太复杂，以免占用太多的CPU时间。分时系统通常10~100ms便进行一次。

作业调度：一个作业运行完毕退出系统时即触发重新调度一个新作业入内存，周期较长，大约几分钟一次。因而也允许作业调度算法花费较多的时间。

中级调度：运行频率基本上介于上述两种调度之间。

4、调度队列模型

不论高级、中级或者低级调度，都涉及到进程队列，由此形成了三类调度队列模型。从这三种方式中体验调度的过程。
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

1）仅有进程调度的调度队列模型

常见情况：
分时系统。
通常仅设置进程调度，用户键入的命令和数据，都直接送入内存。
调度对象：
处于就绪状态的进程。
组织形式：
栈、树或一个无序链表
用何种形式取决于OS类型和采用的调度算法。如：分时系统中把就绪进程组织成FIFO队列形式：按时间片轮转方式运行。
进程调度过程如下图：

每个进程在执行时按规定的时间片算法，在给定时间片内任务有三种执行情况：
完成工作，释放处理机进入完成状态
未完成，将该任务再放入就绪队列末尾
因某事件而被阻塞，被OS放入阻塞队列

2）具有高级和低级调度的调度队列模型

3）同时具有三级调度的调度队列模型

引入中级调度后，进程的状态变化：
就绪状态：分为内存就绪和外存就绪。
阻塞状态：分为内存阻塞和外存阻塞。
	中级调度使进程在上述状态间变化，并使数据在内外存间互换。

5. 选择调度方式和调度算法的若干准则

   1)面向用户的准则

    周转时间短：
    针对批处理系统的性能指标。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）
    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
    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。
    	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。
    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。
   

   2)面向系统的准则

    系统吞吐量高：批处理系统的重要指标。
    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；
    处理机利用率好(主要针对大中型主机)
    各类资源的平衡利用(主要针对大中型主机)
   

二、 调度算法

调度的实质就是一种资源分配。不同的系统和系统目标，通常采用不同的调度算法——适合自己的才是最好的。

• 如批处理系统为照顾为数众多的短作业，应采用短作业优先的调度算法；
• 如分时系统为保证系统具有合理的响应时间，应采用轮转法进行调度。
• 目前存在的多种调度算法中，有的算法适用于作业调度，有的算法适用于进程调度；但有些算法作业调度和进程调度都可以采用。
  1、先来先服务调度算法FCFS
  • 不利于短作业（进程）
  • 不利于I/O繁忙

2.、短作业（进程）优先调度算法SJF/SPF

平均等待时间，提高系统吞吐量。
分抢占和非抢占两种方式

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HPFHighest Priority First

1) 分两种方式：
非抢占式优先权算法
抢占式优先权算法关键点：新作业产生时

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。

3）高响应比优先调度算法HRRNHighest Response Raito Next
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)
（1）时间片轮转算法

1.将系统中所有的就绪进程按照FCFS原则，排成一个队列。
2.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。
3.在一个时间片结束时，发生时钟中断。
4.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

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。

影响时间片长度的主要因素：系统的处理能力和系统的负载状态。

（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

三、实时调度

什么是实时系统？

指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。该任务成为就绪状态的时间。
- 开始截止时间、完成截止时间。
- 处理时间。从开始执行到完成所需时间。
- 资源要求。任务执行时所需的一组资源。
- 优先级。根据任务性质赋予不同优先级。

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

根据实时任务的性质

硬实时调度算法
软实时调度算法；

按调度方式

非抢占调度算法
抢占调度算法；

根据调度时间不同

静态调度算法
动态调度算法。

多处理机环境下

集中式调度
分布式调度

1）非抢占调度算法
2）抢占式调度算法

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。

死锁（Deadlock）: 指进程之间无休止地互相等待!

饥饿（Starvation）:指一个进程无休止地等待！

产生死锁的原因可归结为如下两点：

• 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。
  -可剥夺和非剥夺性资源
  -永久性资源和临时性资源

• 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。

形成死锁的四个必要条件（四个条件都具备就会死锁，缺一就不会死锁）

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

处理死锁的基本方法

• 事先预防：
  1.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。
  

  2.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：
  3.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。
  

  4.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

1)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。

2)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。

3)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。

死锁的检测

检测时机：
	 当进程等待时检测死锁
	 定时检测
	系统资源利用率下降时检测死锁

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。<死锁定理>

死锁的解除

1.剥夺资源
2.撤销进程