1、,Page 1,2018/10/24,第三章 处理机调度与死锁,操作系统,刘 刚 ,Page 2,2018/10/24,第三章 处理机调度与死锁,重点 掌握进程调度算法，各适用于何种情况 理解常用的几种实时调度算法 理解产生死锁的原因 掌握银行家算法避免死锁 难点 多道程序设计中的各种调度算法 响应比高者优先调度算法的计算过程 银行家算法,Page 3,2018/10/24,第三章 处理机调度与死锁,知识点 处理机调度及调度算法 多处理机环境下的进程（线程）调度方式 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 银行家算法,Page 4,2018/10/24,第三章 处理机调度与
2、死锁,处理机是计算机系统中的重要资源 在多道程序环境下，进程数目通常多于处理机的数目 系统必须按一定方法动态地把处理机分配给就绪队列中的一个进程 处理机利用率和系统性能（吞吐量、响应时间）在很大程度上取决于处理机调度,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。,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）,Page 5,2018/10/24,第三章 处理机调度与死锁,处理机调度的基本概念 调度算法 实时调度 多处理机系统中的调度产生死锁的原因和必要条件 预防死锁的方法
3、 死锁的检测与解除,Page 6,2018/10/24,处理机调度的基本概念,高级、中级和低级调度 进程调度的任务 确定算法的原则 进程调度方式 调度队列模型 选择调度方式和调度算法的若干准则,Page 7,2018/10/24,处理机调度的基本概念,作业是用户在一次解题或一个事务处理过程中要求计算机系统所做工作的集合，包括用户程序、所需的数据及命令等 作业的状态：一个作业进入系统到运行结束，一般需要经历收容、运行、完成三个阶段，与之相对应的是作业的三种状态 后备状态 运行状态 完成状态,Page 8,2018/10/24,处理机调度的基本概念,后备状态,完成状态,就绪,阻塞,执行,I/O完成
4、,I/O请求,时间片完,作业状态间转换,Page 9,2018/10/24,3.1 处理机调度的基本概念,3.1.1 高级、中级和低级调度,1. 高级调度(High Scheduling),2. 低级调度(Low Level Scheduling),3. 中级调度(Intermediate-Level Scheduling),Page 10,2018/10/24,高级、中级和低级调度,高级调度(High Scheduling)作业调度或长程调度（Long-Term Scheduling） 主要任务是按一定的原则对外存上处于后备状态的作业进行选择，给选中的作业分配内存、输入/输出设备等必要的资源
5、，并建立相应的进程，放入就绪队列，以使该作业的进程获得竞争处理机的权利 也称为接纳调度（Admission Scheduling） 高级调度的时间尺度通常是分钟、小时或天,Page 11,2018/10/24,高级、中级和低级调度,在每次作业调度时，须决定： 接纳多少个作业即允许多少个作业同时在内存中运行，取决于多道程序度（Degree of Multiprogramming） 作业太多 服务质量下降 作业太少 资源利用率低 接纳哪些作业 取决于作业调度算法 先来先服务 短作业优先 作业优先权调度 响应比调度,周转时间太长,系统吞吐量太低,适当的折衷,多道程序度：即允许多少个作业同时在内存中运
6、行。 周转时间：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。 吞吐量：是指在单位时间内系统所完成的作业数。,Page 12,2018/10/24,高级、中级和低级调度,低级调度进程调度或短程调度（Short-Term Scheduling） 主要任务是按照某种策略和方法选取一个处于就绪状态的进程，将处理机分配给它 常见的低级调度有非抢占式和抢占式两种 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,Page 13,2018/10/24,高级、中级和低级调度,中级调度(Intermediate-Level Scheduling)中程调度(Medium
7、-Term Scheduling) 引入目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。使那些暂时不能运行的进程不再占用宝贵的内存资源，而将它们调至外存上去等待 主要任务是按照给定的原则和策略，将处于外存对换区中的重又具备运行条件的就绪进程调入内存，或将处于内存就绪状态或内存阻塞状态的进程交换到外存对换区,Page 14,2018/10/24,处理机调度的基本概念,高级、中级和低级调度进程调度的任务确定算法的原则进程调度方式调度队列模型选择调度方式和调度算法的若干准则,Page 15,2018/10/24,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
8、个进程，把CPU的使用权交给被选中的进程,Page 16,2018/10/24,处理机调度的基本概念,高级、中级和低级调度进程调度的任务确定算法的原则进程调度方式调度队列模型选择调度方式和调度算法的若干准则,Page 17,2018/10/24,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,Page 18,2018/10/24,处理机调度的基本概念,高级、中级和低级调度进程调度的任务确定算法的原则进程调度方式调度队列模型选择调度方式和调度算法的若干准则,Page 19,2018/10/24,进程调度方
9、式,非抢占方式(Non-preemptive Mode) 抢占方式(Preemptive Mode),Page 20,2018/10/24,进程调度方式,非抢占方式(Non-preemptive Mode)当某一进程正在处理机上执行时，即使有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，该进程仍继续执行，直到其完成或发生某种事件而进入完成或阻塞状态时，才把处理机分配给更为重要或紧迫的进程 引起进程调度的因素 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wait、Block、Wakeup原语,优点：算法简
10、单，系统开销小 缺点：紧急任务不能及时响应；短进程到达要等待长进程运行结束,Page 21,2018/10/24,进程调度方式,抢占方式(Preemptive Mode)当某一进程正在处理机上执行时，若有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，则立即暂停正在执行的进程，将处理机分配给这个更为重要或紧迫的进程 抢占式调度主要有以下原则 优先权原则 允许高优先权的新到进程抢占当前进程的处理机 短作业(进程)优先原则允许执行时间短的新到进程抢占当前进程的处理机 时间片原则 时间片用完后停止执行，重新进行调度，适用于分时系统,优点：适于时间要求严格的实时系统 缺点：调度算法复杂，系统开销大,Page 2
11、2,2018/10/24,处理机调度的基本概念,高级、中级和低级调度进程调度的任务确定算法的原则进程调度方式调度队列模型选择调度方式和调度算法的若干准则,Page 23,2018/10/24,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,Page 24,2018/10/24,调度队列模型,仅有进程调度的调度队列模型 在分时系统中，通常仅设有进程调度 系统把这些进程组织成一个就绪队列 每个进程在执行时，可能有以下几种情况 进程获得CPU正在执行 任务在给定时间片内已完成，释放处理机后为完成状态 任务在时间片内未完成，进入就绪队列末尾
12、在执行期间因某事件而阻塞,Page 25,2018/10/24,调度队列模型,仅有进程调度的调度队列模型,进程调度,进程完成,等待事件,交互用户,时间片完,Page 26,2018/10/24,调度队列模型,具有高级和低级调度的调度队列模型 在批处理系统中，不仅需要进程调度，而且还要有作业调度 就绪队列的形式 在批处理系统中，常用高优先权队列。进程进入就绪队列时，按优先权高低插入相应位置，调度程序总是把处理机分配给就绪队首进程 设置多个阻塞队列 根据事件的不同设置多个队列提高效率,Page 27,2018/10/24,调度队列模型,进程调度,进程完成,时间片完,与上一模型的主要区别：就绪队列的
13、形式；设置多个阻塞队列,Page 28,2018/10/24,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,中级调度,等待事件,进程完成,时间片完,作业调度,交互型作业,批量作业,挂起,事件出现,事件出现,Page 29,2018/10/24,处理机调度的基本概念,高级、中级和低级调度进程调度的任务确定算法的原则进程调度方式调度队列模型 选择调度方式和调度算法的若干准则,如果你是用户，你希望系统如何为你服务，如何考虑？ 如果你是调度者，从系统整体角度出发，应如何考虑？,Page 30,2018/10/24,3.1.3 选择调度方式和调度算法的若干准则,1. 面向用户的准则,2. 面向
14、系统的准则,Page 31,2018/10/24,3.1.3 选择调度方式和调度算法的若干准则,1. 面向用户的准则,(1) 周转时间短。,(2) 响应时间快。 (3) 截止时间的保证。 (4) 优先权准则。,Page 32,2018/10/24,选择调度方式和调度算法的若干准则,面向用户的准则 周转时间短 平均周转时间,带权周转时间：进程（或作业）的周转时间T与系统为它提供服务的时间TS之比，即W=T/TS 。而平均带权周转时间则可表示为:,Page 33,2018/10/24,选择调度方式和调度算法的若干准则,面向用户的准则 响应时间快 响应时间是指从用户通过键盘提交一个请求开始，直至系统
15、中首次产生响应为止的时间 交互式系统用周转时间衡量不是最佳 截止时间保证 截止时间是指某任务必须开始执行的最迟时间或必须完成的最迟时间 截止时间是实时系统中的重要指标,Page 34,2018/10/24,选择调度方式和调度算法的若干准则,面向用户的准则 等待时间短 等待时间是在就绪队列中等待所花的时间 调度算法并不影响进程运行和执行I/O的时间量；只影响进程在就绪队列中等待所花费的时间 优先权准则 在批处理、实时和分时系统中都可以选择优先权准则，以便让紧急任务先处理 有时还选择抢占式调度方式,Page 35,2018/10/24,选择调度方式和调度算法的若干准则,面向系统的准则 系统吞吐量高
16、 吞吐量指单位时间内系统所完成的作业数 作业调度的方式和算法对吞吐量的大小有较大影响 处理机利用率高 各类资源的平衡利用 使内存、外存和I/O设备的利用率高,基于这样的准则，你设计操作系统的调度策略应如何？,Page 36,2018/10/24,第三章 处理机调度与死锁,处理机调度的基本概念 调度算法 实时调度 多处理机系统中的调度 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,Page 37,2018/10/24,调度算法,在OS中调度的实质是一种资源分配，因而调度算法是指：根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法 问题提出 如何制定分配策略：对不同的系统和系统目标，通常采用
17、不同的算法，如短作业优先，时间片轮转等 有些算法适用于作业调度，有些适用于进程调度，有些两者皆可,Page 38,2018/10/24,调度算法,先来先服务和短作业优先算法高优先权优先调度算法基于时间片的轮转调度算法,Page 39,2018/10/24,先来先服务和短作业优先算法,先来先服务(FCFS)/先进先出(FIFO)调度算法 按照作业/进程进入系统的先后次序进行调度，先进入系统者先调度；即启动等待时间最长的作业/进程 是一种最简单的调度算法，即可用于作业调度，也可用于进程调度 几个术语 到达时间、服务时间、开始时间 完成时间、等待时间 周转时间：完成时间-到达时间 带权周转时间：周转
18、时间/服务时间,Page 40,2018/10/24,先来先服务和短作业优先算法,0,4,4,4,7,6,先来先服务（先进先出）：,7,12,10,12,14,11,14,18,14,Page 41,2018/10/24,先来先服务和短作业优先算法,先来先服务（先进先出）优缺点,比较有利于长作业（进程），而不利于短作业（进程）有利于CPU繁忙型作业（进程） ，而不利于I/O繁忙型作业（进程）用于批处理系统，不适于分时系统,Page 42,2018/10/24,先来先服务和短作业优先算法,短作业(进程)优先调度算法SJ(P)F 短作业(进程)优先调度算法SJ(P)F，以要求运行时间长短进行调度，
19、即启动要求运行时间最短的作业 可以分别用于作业调度和进程调度 短作业优先(SJF)的调度算法，是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运行；而短进程优先(SPF)调度算法，则是从就绪队列中选出一估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它，使它立即执行并一直执行到完成，或发生某事件而被阻塞放弃处理机时，再重新调度,Page 43,2018/10/24,先来先服务和短作业优先算法,0,4,4,1,短作业/短进程优先（SJF/SPF）：,4,6,3,3/2,6,9,8,8/3,9,13,9,9/4,13,18,16,16/5,40/5,2.1,Page 44,2018/10
20、/24,FCFS/SJF调度算法的性能,先来先服务和短作业优先算法,SJF能有效地降低作业的平均等待时间，提高系统吞吐量,SJF平均周转时间和平均带权周转时间明显改善,Page 45,2018/10/24,先来先服务和短作业优先算法,SJ(P)F调度算法也存在不容忽视的缺点 对长作业不利。严重的是，若一长作业(进程)进入系统的后备队列(就绪队列)，由于调度程序总是优先调度那些(即使是后进来的)短作业(进程)，将导致长作业(进程)长期不被调度饥饿 完全未考虑作业(进程)的紧迫程度，因而不能保证紧迫性作业(进程)会被及时处理 由于作业(进程)的长短只是根据用户所提供的估计执行时间而定的，而用户又可
21、能会有意或无意地缩短其作业的估计运行时间，致使该算法不一定能真正做到短作业优先调度。,Page 46,2018/10/24,调度算法,先来先服务和短作业优先算法 高优先权优先调度算法 基于时间片的轮转调度算法,Page 47,2018/10/24,高优先权优先（HPF，Highest Priority First）调度算法,优先权调度算法的类型 非抢占式优先权调度算法 抢占式优先权调度算法,Page 48,2018/10/24,高优先权优先（HPF，Highest Priority First）调度算法,优先权调度算法的类型 非抢占式优先权调度算法 特点：系统一旦把处理机分配给就绪队列中优先权
22、最高的进程后，该进程便一直执行下去，直至完成，或因发生某事件使该进程放弃处理机时，系统才将处理机重新分配给另一优先权最高的进程 主要用于批处理系统中，也可用于某些对实时性要求不严的实时系统中,Page 49,2018/10/24,高优先权优先（HPFHighest Priority First）调度算法,优先权调度算法的类型 抢占式优先权调度算法 把处理机分配给优先权最高的进程，但在执行期间，只要出现另一个优先权更高的进程，则进程调度程序就立即停止当前进程的执行，并将处理机分配给新到的优先权最高的进程 注意：只要系统中出现一个新的就绪进程，就进行优先权比较 该调度算法，能更好地满足紧迫作业的要
23、求，故而常用于要求比较严格的实时系统中，以及对性能要求较高的批处理和分时系统中,Page 50,2018/10/24,高优先权优先调度算法,优先权的类型 静态优先权 动态优先权,Page 51,2018/10/24,高优先权优先调度算法,优先权的类型 静态优先权 静态优先权在创建进程时确定，且在进程的整个运行期间保持不变。一般地，优先权是利用某一范围内的一个整数来表示的，例如，07或0255， 又把该整数称为优先数 确定进程静态优先权的依据 进程类型:系统进程，用户进程 进程对资源的需求 用户要求,Page 52,2018/10/24,确定进程优先权的依据有如下三个方面： 进程类型。 系统进程
24、的优先权高于一般用户进程。 (2) 进程对资源的需求。 如进程的估计执行时间及内存需要量少的进程，应赋予较高的优先权。 (3) 用户要求。 由用户进程的紧迫程度和用户所付费用的多少来确定优先权。,Page 53,2018/10/24,高优先权优先调度算法,优先权的类型 静态优先权 静态优先权在创建进程时确定，且在进程的整个运行期间保持不变。一般地，优先权是利用某一范围内的一个整数来表示的，例如，07或0255， 又把该整数称为优先数 确定进程静态优先权的依据 进程类型:系统进程，用户进程 进程对资源的需求 用户要求 静态优先权特点 系统开销小、不够精确、一般用在要求不高的系统中,问题：用户将优
25、先权设的较高，对其他进程不利！短进程优先对长进程不利！,Page 54,2018/10/24,高优先权优先调度算法,动态优先权 随进程的推进或随其等待时间的增加而改变，以获得更好的调度性能 可规定，在就绪队列中的进程，随其等待时间的增长，其优先权以速率a提高 具有相同优先权初值的进程，则最先进入就绪队列，其将因其动态优先权变得最高而优先获得处理机，此即FCFS算法 具有各不相同的优先权初值的就绪进程，则优先权初值低的进程，在等待了足够的时间后，其优先权便可能升为最高，从而可以获得处理机 当采用抢占式优先权调度算法时，如果再规定当前进程的优先权以速率b下降，则可防止一个长作业长期地垄断处理机,P
26、age 55,2018/10/24,静态优先权，非抢占式（1为高优先权）,高优先权优先调度算法,0,4,4,1,4,8,4,1,8,11,10,10/3,11,16,14,14/5,16,18,15,15/2,9.4,2.93,考虑一下抢占式，情况如何？,Page 56,2018/10/24,高优先权优先调度算法,高响应比优先调度算法（HRF） 是FCFS和SJF的结合，克服了两种算法的缺点 调度策略：响应比最高的作业优先启动因等待时间+服务时间=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,Page 57,2018/10/24,高优先权优先调度算法,对HRF的小结 等待时
27、间相同的作业，则要求服务的时间愈短，其优先权愈高， 要求服务的时间相同的作业，则等待时间愈长，其优先权愈高， 长作业，优先权随等待时间的增加而提高，其等待时间足够长时，其优先权便可升到很高， 从而也可获得处理机 是一种折衷，既照顾了短作业，又考虑了作业到达的先后次序，又不会使长作业长期得不到服务。,缺点：要进行响应比计算，增加了系统开销,对短作业有利,是先来先服务,对长作业有利,Page 58,2018/10/24,调度算法,先来先服务和短作业优先算法 高优先权优先调度算法 基于时间片的轮转调度算法,Page 59,2018/10/24,基于时间片的轮转调度算法,简单的时间片轮转法(RRRou
28、nd Robin) 系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则排成一个队列，每次调度时，把CPU分配给队首进程，并令其执行一个时间片 当执行的时间片用完时，由一个计时器发出时钟中断请求，调度程序便停止该进程的执行，并将其放就绪队列尾；然后，再把处理机分配给就绪队列中新的队首 时间片的大小从几ms到几百ms,优点：公平。保证就绪队列中所有进程在一给定的时间内，均能获得一时间片的处理机执行时间,缺点：紧迫任务响应慢。 UNIX中采用：时间片+优先权,Page 60,2018/10/24,基于时间片的轮转调度算法,A,B,C,D,E,A,B,C,D,E,A,B,C,E,A,C,E,C,0,1,2,3,4
29、,9,12,15,17,18,15,15/4,11,11/3,16,16/5,6,6/2,13,13/4,12.2,2.12,若到达时间为0、1、2、3、4，又如何？,Page 61,2018/10/24,基于时间片的轮转调度算法,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 时间片大小 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,Page 62,2018/10/24,3.2.3 基于时间片的轮转调度算法,2. 时间片大小的确定 （1）系统对响应时间的要求数目N和时间片q成反比，即T=Nq，因此在进程数一定时，作为分时系统首先就是必须满足系统对响应时间
30、的要求。时间片的长短将正比于系统所要求的响应时间。 （2）就绪队列中进程的数目在分时系统中，就绪队列上所有的进程数，是随着在终端上机的用户数目而改变的，但系统应保证，当所有终端用户上机时，获得较好的响应时间。 （3）系统的处理能力系统的处理能力是必须保证用户键入的常用命令能在一个时间片内处理完毕，否则将无法保证得到满意的响应时间，而且会使平均周转时间及带权周转时间都很长。,Page 63,2018/10/24,2. 多级队列调度,前台的就绪队列是交互性作业的进程，采用时间片轮转。 后台的就绪队列是批处理作业的进程，采用优先权或短作业优先算法。 调度方式有两种： (1) 优先调度前台，若前台无可
31、运行进程，才调度后台。 (2) 分配占用CPU的时间比例，如：前台80%，后台20%。,3.2.3 基于时间片的轮转调度算法,Page 64,2018/10/24,基于时间片的轮转调度算法,多级反馈队列调度算法 设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级 第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低 该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同，在优先权愈高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就愈小。例如，第二个队列的时间片要比第一个队列的时间片长一倍，第i+1个队列的时间片要比第i个队列的时间片长一倍,Page 65,2018/10/24,就绪队列1,基于时
32、间片的轮转调度算法,就绪队列2,就绪队列3,就绪队列n,调度方式,按FIFO原则排队等待调度,尚未完成转入第二队列的末尾，按FIFO原则等待调度,采取按时间片轮转的方式运行,因等待而放弃CPU后，进入阻塞队列，一旦等待的事件发生，则回到原来的就绪队列,Page 66,2018/10/24,基于时间片的轮转调度算法,注意 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 第i队列中某进程正在运行时，又有新进程进入优先权较高的队列(第1(i-1)中的任何一个队列)，则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机，调度程序把正在运行的进程放回到第i队列的末尾 第i队列中某进程正在运行时，该进程因
33、等待事件发生而进入阻塞队列，等待事件发生后，调度程序把进程放回到第i队列的末尾,Page 67,2018/10/24,基于时间片的轮转调度算法,多级反馈队列调度算法的性能 终端型作业用户 终端型作业用户所提交的作业多属于交互型作业，通常较小，系统只要能使这些作业在第一队列所规定的时间片内完成即可 短批处理作业用户 若在第1队列中执行一个时间片即可完成，便可获得与终端型作业一样的响应时间 如在第一个队列中不能完成，只需在第2、3队列中各执行一个时间片 长批处理作业用户 长作业将依次在第1，2，3，n队列中执行，最终按轮转方式运行,Page 68,2018/10/24,进程调度的时机,当一个进程运
34、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，一个阻塞进程变成就绪 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）,Page 69,2018/10/24,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: 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）,Page 70,2018/10/24,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。,Page 71,2018/10/24,进程调度算法优先权、抢占式,其中，RQ为就绪队列指针，EP为运行队列指针。,Page 72,2018/10/24,The End,
