学习笔记之汤小丹《计算机操作系统第四版》----第三章 处理机调度与死锁

• 处理机调度的层次：

1. 高级调度（作业调度、长程调度）：调度对象为作业（还不是进程），为它们创建进程，分配必要的资源，并将它们放入就绪队列（从外存 --->内存）
2. 低级调度（进程调度、短程调度）：决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机
3. 中级调度（内存调度）：提高内存利用率和系统吞吐量，把暂时不能运行的进程（挂起状态）调至外存等待

• 处理机调度算法的共同目标：

1.   
2. 公平性：使各进程都获得合理的CPU时间（不是相同的，根据紧急程度或重要性来提供不同的CPU时间）
3. 平衡性：由于系统中可能具有多种类型的进程，应保持系统资源使用的平衡性
4. 策略强制执行

• 批处理系统的目标：

1. 平均周转时间短。周转时间：指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。包括：作业在外存后备队列上等待作业调度的时间、进程在就绪队列上等待进程调度的时间、进程在CPU上执行的时间以及进程等待I/O操作完成的时间                                       平均周转时间：                                                                                                                                                   平均带权周转时间：     Ti:作业的周转时间，Ts:系统为它提供服务的时间
2. 系统吞吐量高。吞吐量：单位时间内系统所完成的作业数
3. 处理机利用率高

• 分时系统的目标：

1. 响应速度快。响应时间：从用户通过键盘提交一个请求开始，直到屏幕上显示出处理结果为止的一段时间间隔
2. 均衡性：系统响应时间的快慢应与用户所请求的服务的复杂性相适应

• 实时系统的目标：

1. 截止时间的保证。截止时间：某任务必须开始执行的最迟时间或必须完成的最迟时间
2. 可预测性

• 作业：程序 + 数据 + 作业说明书（系统根据它对程序的运行进行控制）
• 作业步
• 作业控制块JCB：类似于PCB
• 作业运行的三个阶段和三个状态：

1. 收容阶段 ---->  后备状态
2. 运行阶段 ---->  运行状态
3. 完成阶段 ---->  完成状态

• 作业调度的主要任务：

1. 接纳多少个作业。取决于多道程序度，即允许多少个作业同时在内存中运行
2. 接纳哪些作业：由FCFS,SJF,PSA,HRRN等算法决定

• 在分时系统中，为了做到及时响应，用户输入的命令或数据都被直接送入内存，因而无须配置作业调度机制。但需有接纳控制措施（限制进入系统作业的数目）
• 先来先服务算法（FCFS）：现在一般是在系统中按进程的优先级设置多个队列，每个优先级一个队列，每一个队列的调度都基于FCFS算法
• 短作业优先算法（SJF）：根据估计作业运行时间来衡量作业的长短
• SJF的缺点：

1. 必须预知作业的运行时间
2. 对长作业非常不利，完全忽视作业的等待时间，可能出现饥饿现象
3. 人-机无法交互？？？
4. 未考虑作业的紧迫程度

• 优先级调度算法PSA（priority-scheduling algorithm）：基于作业的紧迫程度，由外部赋予作业的相应的优先级
• 高响应比优先调度算法HRRN（Highest Response Ratio Next）：引入动态优先级。                                                                                                                                                以上优先权及相应比，响应时间 = 周转时间 = 等待时间 + 要求服务时间
• HRRN的缺点：每次进行调度之前，都需要先做响应比的计算，会增加系统开销
• 进程调度的任务：

1. 保存处理机的现场信息
2. 按某种算法选取进程
3. 把处理器分配给进程

• 进程调度机制包括：

1. 排队器：排队器把转变为就绪状态的进程插入到就绪队列（若未满的话）
2. 分派器
3. 上下文切换器

• 进程调度方式：

1. 非抢占方式：一旦把处理机分配给某个进程后，就一直让它运行下去，直至该进程完成或发生某事件而被阻塞
2. 抢占方式：允许调度程序根据某种原则，去暂停某个正在执行的进程

• 抢占的原则：

1. 优先权原则
2. 短进程优先原则
3. 时间片原则

• 轮转调度算法：最基本和最常用的 基于时间片的轮转（RR），引入计时器，常用于分时系统
• 轮转算法的基本原理
• 轮转算法中进程切换时间：进程完成；时间片用完
• 时间片大小的确定：略大于 一次典型的交互所需的时间
• 优先级调度算法的类型：

1. 非抢占式优先级调度算法
2. 抢占式优先级调度算法

• 优先级的类型：

1. 静态优先级
2. 动态优先级（类似于之前的HRRN引入的优先权）

• 多级反馈队列调度算法的调度机制：

1. 设置多个就绪队列 。第一个队列优先级最高 ；优先级越高的队列，其时间片越小
2. 每个队列都采用FCFS算法。当新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS等待调度。当轮到该进程执行时，如 它能在该时间片内完成，则将其撤离系统；否则，将它转入下一队列末尾；循环，直到进入最后一个队列，采用RR算法
3. 按队列优先级调度。仅当第1~i - 1的所有队列均空时，才会调度第i队列的进程运行。如果处理机正在处理第i队列中为某进程服务时又有新进程进入任一优先级较高的队列，此时须立即把正在运行的进程放回第i队列的末尾，而把处理机分配给新到的高优先级进程

• 基于公平原则调度算法：

1. 保证调度算法（立足于实际执行了的处理机时间与应获得的处理机时间）
2. 公平公享调度算法（立足于对用户公平，而不是对进程公平）

• 可重用性资源和可消耗性资源（比如用于进程间通信的消息）
• 可抢占性资源和不可抢占性资源
• 计算机系统中引起死锁的原因：

1. 竞争不可抢占性资源引起死锁
2. 竞争可消耗资源引起死锁
3. 程序推进顺序不当引起死锁

• 产生死锁的必要条件：

1. 互斥条件（资源）
2. 请求和保持条件（进程 + 资源）
3. 不可抢占条件（资源）
4. 循环等待条件（进程 + 资源）

• 处理死锁的方法：

1. 预防死锁
2. 避免死锁：在资源的动态分配过程中，用某种方法防止系统进入不安全状态
3. 检测死锁
4. 解除死锁：常用的方法是撤销一些进程，回收资源                                                                                                                   以上四点，对死锁的防范程度逐渐减弱，对资源的利用率提高，进程因资源因素而阻塞的频度逐渐下降，并发程度逐渐提高

• 互斥条件是非共享设备所必须的，不仅不能改变，还应加以保证
• 通过破坏“请求和保持”条件预防死锁：

1. 第一种协议：进程一次性申请并被分配其所需的所有资源                                                                                                        缺点：资源被严重浪费；进程会发生饥饿现象
2. 第二种协议：允许一个进程只获得运行初期所需的资源后便开始运行。进程运行过程中再逐步释放已分配给自己的且已用完的资源，然后再请求新的所需资源

• 通过破坏“不可抢占”条件预防死锁：通过释放自己（提出新资源请求的进程）所拥有的全部资源 
• 通过破坏“循环等待条件”：对系统所有资源类型进行线性排序，并赋予不同的序号，每个进程必须按序号递增的顺序请求资源                                                                                                                                                                                                缺点：

1. 为资源规定的序号必须相对稳定，这限制了新类型设备的增加
2. 可能造成资源的浪费
3. 用户编程复杂

• 在避免死锁的方法中，把系统的状态分为安全状态和不安全状态
• 安全状态：系统能按某种进程推进顺序（P1,P2,...,Pn）为每个进程Pi分配其所需所有资源（为当前进程分配资源时，前一进程已结束，拥有的资源已被释放），直至满足每个进程对资源的最大需求
• 如果无法找到这样一个序列，系统则处于不安全状态
• 利用银行家算法避免死锁（假设该资源请求可以分配---->检验资源分配后是否是安全状态，如果是不安全状态，则不予以分配）；Java实现
• 资源分配图                                                                                                                                                                                       P1获得2个单位的R1资源，P1请求1个单位的R2资源
• 常用解除死锁的方法：

1. 抢占资源
2. 终止进程

• 页面置换算法：

1. 最近最久未使用算法（LRU）：基于时间先后，栈
2. 最少使用算法（LFU）：基于一个时间段的使用次数