1、第三章 处理机调度与死锁,王培崇,本章授课目的,使学生理解和掌握处理机调度和死锁的基本概念， 掌握常用的处理机调度算法和预防、避免死锁的方法。,3.1 处理机调度的层次,3.1.1 高级、中级和低级调度,1. 高级调度(High Scheduling)即 作业调度,调度作业进入内存，并为其分配必要的资源。考虑如下两点：1) 接纳多少个作业 ：主要考虑内存大小、执行效率系统吞吐量等因素。2) 接纳哪些作业 ：取决于具体的调度算法。,(2) 作业步(Job Step)。每个作业都必须经过若干个相对独立，又相互关联的顺序加工步骤才能得到结果，把其中的每一个加工步骤称为一个作业步，各作业步之间存在着相
2、互联系，上一个作业步的输出作为下一个作业步的输入。一个典型的作业可分成三个作业步： “编译”作业步; “连结装配”作业步; “运行”作业步; (3) 作业流。若干个作业进入系统后，被依次存放在外存上，这便形成了输入的作业流；在操作系统的控制下，逐个作业进行处理，于是便形成了处理作业流。,2作业控制块JCB(Job Control Block)系统感知作业在系统中存在的标志，其中保存了系统对作业进行管理和调度所需的全部信息。在JCB中通常应包含的内容有：作业标识、用户名称、用户帐户、作业类型(CPU 繁忙型、I/O 繁忙型、批量型、终端型)、作业状态、调度信息(优先级、作业已运行时间)、资源需求
3、(预计运行时间、要求内存大小、要求I/O设备的类型和数量等)、进入系统时间、开始处理时间、作业完成时间、作业退出时间、资源使用情况等。,JCB的建立、调度、撤销： 作业进入系统时，系统便为每个作业建立一个JCB，根据作业类型将它插入相应的后备队列中。作业调度程序依据一定的调度算法来调度它们，被调度到的作业将会装入内存。当一个作业执行结束进入完成状态时，系统负责回收分配给它的资源，撤消它的作业控制块。,2. 低级调度(Low Level Scheduling) ：进程调度,也称微观调度，从处理机资源分配的角度来看，即占有CPU来运行。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
4、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。,低级调度的主要功能 (1) 保存处理机的现场信息。(2) 按某种算法选取进程。如优先数算法、轮转法等，从就绪队列中选取一个进程，把它的状态改为运行状态，并准备把处理机分配给它。 (3) 把处理器分配给进程。,进程调度中的三个基本机制(1) 排队器。事先将系统中所有的就绪进程按照一定的方式排成一个或多个队列，以便调度程序能最快地找到它。(2) 分派器(分派程序)。分派器把由进程调度程序所选定的进程，从就绪队列中取出该进程，然后进行上下文切换，将处理机分配给它 。(3) 上下文切换机制。当对处理机进行切换时，会发生两对上下文切换
5、操作。,低级（进程）调度方式：,1) 非抢占方式(Non-preemptive Mode) 在下面情况下发生： 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，显然，在要求比较严格的实时系统中，不宜采用这种调度方式。,2) 抢占方式(Preemptive Mode),抢占的原则有：,优先权原则。 (2) 短作业(进程)优先原则。 (3) 时间片原则。,大多数实时系统会采用这种调度方式。,3. 中级调度(Intermediate-Level Scheduling),中级调度又称中程调度(Medium-
6、Term Scheduling)。 主要目的：是为了提高内存利用率和系统吞吐量。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。如果资源允许后，决定哪个外存被挂起的进程被调度进入。,3.2 调度队列模型和调度准则,3.2.1 调度队列模型1仅有进程调度的调度队列模型（1）在分时系统中，仅仅设有进程调度。（2）用户键入的命令和数据都直接送入内存。对于命令，是由OS为之建立一个进程。（3）系统可以把处于就绪状态的进程组织成栈、树或一个无序链表。例如：就绪进程组织成FIFO队列形式。每当OS创
7、建一个新进程时，便将它挂在就绪队列的末尾，然后按时间片轮转方式运行。,进程执行时现的三种情况：(1) 任务在给定的时间片内已经完成，该进程便在释放处理机后进入完成状态；(2) 任务在本次分得的时间片内尚未完成，OS便将该任务再放入就绪队列的末尾；(3) 在执行期间，进程因为某事件而被阻塞后，被OS放入阻塞队列。图3-1示出了仅具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,2具有高级和低级调度的调度队列模型（1）在批处理系统中，既要进程调度，而且还有作业调度；(2)作业调度算法负责从外存的后备队列中选择一批作业调入内存，并为它们建立进程，送入就绪队列；（3）进程调度
8、按照一定的进程调度算法选择一个进程，把处理机分配给该进程。图3-2示出了具有高、低两级调度的调度队列模型。该模型与上一模型的主要区别在于如下两个方面。,2. 具有高级和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,就绪队列的形式。批处理中，最常用的调度算法是优先级算法。高优先级的作业排在队列的最前面。(2) 设置多个阻塞队列。对于小型计算机系统也可以只设置一个阻塞队列，但是如果是较复杂的系统，设置多个阻塞队列较好。,图 3-2 示出了具有高、低两级调度的调度队列模型。该模型与图3-1的模型主要区别在于如下两个方面。,3同时具有三级调度的调度队列模型设置有中级调度的系统：
9、进程的就绪状态分为内存就绪(表示进程在内存中就绪)和外存就绪(进程在外存中就绪)。阻塞状态进一步分成内存阻塞和外存阻塞两种状态。在中级调度的作用下，又可使外存就绪转为内存就绪。图3-3示出了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,3.2.2 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。,可把平均周转时间描述为：,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，称为带权周转时间，而平均带权周转时间则可表示为:,(2) 响应时间快。 (3) 截止时间的保证。 (4) 优先权准则。 总的原则：具有公平性，但是可以特事特
10、办。,2. 面向系统的准则,系统吞吐量高。 在单位时间内系统完成的作业数目。 (2) 处理机利用率高。 大中型机追求的目标，对于微机以及实时系统则较少 考虑。 (3) 各类资源的平衡利用。,3.3 调 度 算 法,3.3.1 先来先服务和短作业(进程)优先调度算法,1. 先来先服务调度算法,2. 短作业(进程)优先调度算法,它们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。短进程优先(SPF)调度算法: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
11、而被阻塞放弃处理机时，再重新调度。,图 3-4 FCFS和SJF调度算法的性能,SJ(P)F调度算法也存在不容忽视的缺点：(1) 该算法对长作业不利。(2) 该算法完全未考虑作业的紧迫程度，不能保证紧迫性作业(进程)会被及时处理。(3) 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。,3.3.2 高优先权优先调度算法,1. 优先权调度算法的类型,非抢占式优先权算法（Non-preemptive),某一进程被调度运行后，除非由于它自身的原因不能运行，否则一直运行下去。,2) 抢占式优先权
12、调度算法(Preemptive)当有比正在运行的进程优先级更高的进程就绪时，系统可强行剥夺正在运行进程的CPU，提供给具有更高优先级的进程使用这种抢占式的优先权调度算法，能更好地满足紧迫作业的要求，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。,2. 优先权的类型,1) 静态优先权静态优先权是在创建进程时确定的，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。,确定进程优先权的依据有如下三个方面： 进程类型。 (2) 进程对资源的需求。 (3) 用户要求。 静态优先权法简单易行，系统开销小，但不够精确， 很可能出现优先权低的作业
13、(进程)长期没有被调度的情况。 因此，仅在要求不高的系统中才使用静态优先权。,2) 动态优先权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。可以防止某个进程长时间占用处理机。,3. 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：,(1) 如果作业的等待时间相同，则要求服务的时间愈短，其优先权愈高，因而该算法有利于短作业。(2) 当要求服务的时间相同时，作业的优先权决定于其等待时间，等待时间愈长，其优先权愈高，因而它实现的是先来先服务。(3) 对
14、于长作业，作业的优先级可以随等待时间的增加而提高，当其等待时间足够长时，其优先级便可升到很高， 从而也可获得处理机。,该调度算法的特点：,3.3.3 基于时间片的轮转调度算法,1. 时间片轮转法 (RRRound Robin)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。时间片可以分为几十ms到几百ms不等。（皇帝轮流做，今年到我家）,例子： 图3-5示出了时间片分别为q=1和q=4时，A、B、C、D、E五个进程的运行情况；图3-6为q=1和
15、q=4时各进程的平均周转时间和带权平均周转时间。图中的RR(Round Robin)表示轮转调度算法。,图3-5 q=1和q=4时的进程运行情况,图3-6 q=1和q=4时进程的周转时间,2. 多级反馈队列调度算法,算法特点: (1)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。(2)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。,(3)最后一级采用时间片轮转，其他队列采用先进先出； (4)系统从第一级调度，当第一级为空时，系统转向第二个队列，。（5）当运行进
16、程用完一个时间片，放弃CPU时，则进入下一级队列等待调度；如果进程处于等待状态重新被唤醒时，进入原来的就绪队列；（6）当进程第一次就绪时，进入第一级队列。,图 3-5 多级反馈队列调度算法,就绪队列,1,就绪队列,2,就绪队列,3,就绪队列,n,S,1,S,2,S,3,至,CPU,至,CPU,至,CPU,至,CPU,(时间片：,S,1,S,2,S,3,),3. 多级反馈队列调度算法的性能,（1）终端型用户：由于主要是短的交互式作业，一般会保证在一级调度内完成，会令用户满意。 （2）短批处理作业：一般会在1、2级内得到处理； （3）长批处理作业：在此调度算法中肯定会被轮转调度得到执行，不会担心长
17、时间得不到相应。,3.4 实 时 调 度,3.4.1 实现实时调度的基本条件,1. 提供必要的信息,就绪时间。 (2) 开始截止时间和完成截止时间。 (3) 处理时间。 (4) 资源要求。 (5) 优先级。,2. 系统处理能力强,在实时系统中，通常都有着多个实时任务。处理机要保证在特定的时间内使作业得到调度。如下：假定系统中有m个周期性的硬实时任务，它们的处理时间可表示为Ci，周期时间表示为Pi，则在单处理机情况下，必须满足下面的限制条件：,假如系统中有6个硬实时任务，它们的周期时间都是 50 ms，而每次的处理时间为 10 ms，则不难算出，此时是不能满足上式的，因而系统是不可调度的。解决的
18、方法是提高系统的处理能力，其途径有二：其一仍是采用单处理机系统， 但须增强其处理能力， 以显著地减少对每一个任务的处理时间；其二是采用多处理机系统。假定系统中的处理机数为N，则应将上述的限制条件改为：,注意：上述考虑并没有计算消息传递，任务切换等开销。,3. 采用抢占式调度机制,当一个优先权更高的任务到达时，允许将当前任务暂时挂起，而令高优先权任务立即投入运行，这样便可满足该硬实时任务对截止时间的要求。但这种调度机制比较复杂。这种机制采用比较广泛，因为很难对任务的开始和截止进行预先的估计，所以非抢占式调度机制一般很少采用。,4. 具有快速切换机制,该机制应具有如下两方面的能力：(1) 对外部中
19、断的快速响应能力。为使在紧迫的外部事件请求中断时系统能及时响应，要求系统具有快速硬件中断机构，还应使禁止中断的时间间隔尽量短， 以免耽误时机(其它紧迫任务)。(2) 快速的任务分派能力。在完成任务调度后，便应进行任务切换。为了提高分派程序进行任务切换时的速度， 应使系统中的每个运行功能单位适当的小，以减少任务切换的时间开销。,3.4.2 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。系统选择队列队首的任务运行，任务完成后，将其挂在队尾等待下次调度。 主要用于实时要求不高的系统中。 (2) 非抢占式优先调度算法。为要求响应的任务设置较高的优先级 ，并将其挂在队首，等待当前任务
20、执行完毕后进入执行。,2. 抢占式调度算法,基于时钟中断的抢占式优先权调度算法（有时钟中断才切换） (2) 立即抢占的优先权调度算法。,图 3-6 实时进程调度比较,3.3.3 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,算法思想是：当一个事件发生时，对应的进程就被加入就绪进程队列。该就绪队列按照截止期限排序，对于一个周期性事件，其截止期限即为下一次发生的时间。该调度算法首先运行队首进程，即截止时间最近的那个进程。,1) 非抢占式调度方式用于非周期实时任务图3-7示出了将该算法用于非抢占调度方式之例。系统首先调度任务1执行，在任
21、务1执行期间，任务2、3又先后到达。由于任务3的开始截止时间早于任务2，故系统在任务1后将调度任务3执行。在此期间又到达作业4，其开始截止时间仍是早于任务2的，故在任务3执行完后，系统又调度任务4执行，最后才调度任务2执行。,图 3-7 EDF算法用于非抢占调度方式,2) 抢占式调度方式用于周期实时任务图3-10示出了将最早截止时间优先算法用于抢占调度方式之例。任务A的周期时间为20 ms，每个周期的处理时间为10 ms；任务B的周期时间为50 ms，每个周期的处理时间为25 ms。图中的第一行示出了两个任务的到达时间、最后期限和执行时间图。其中任务A的到达时间为0、20、40、；任务A的最后
22、期限为20、40、60、；任务B的到达时间为0、50、100、；任务B的最后期限为50、100、150、(注：单位皆为ms)。,图3-10 最早截止时间优先算法用于抢占调度方式之例,为了说明通常的优先级调度不能适用于实时系统，该图特增加了第二和第三行。第二行中假定任务A具有较高的优先级，所以在t=0 ms时，先调度A1执行，在A1完成后(t = 10 ms)才调度B1执行；在t = 20 ms时，调度A2执行；在t = 30 ms时，A2完成，又调度B1执行；在t = 40 ms时，调度A3执行；在t = 50 ms时，虽然A3已完成，但B1已错过了它的最后期限，这说明了利用通常的优先级调度已
23、经失败。第三行与第二行类似，只是假定任务B具有较高的优先级。,第四行是采用最早截止时间优先算法的时间图。在t = 0时，A1和B1同时到达，由于A1的截止时间比B1早，故调度A1执行；在t = 10时，A1完成，又调度B1执行；在t = 20时，A2到达，由于A2的截止时间比B2早，B1被中断而调度A2执行；在t = 30时，A2完成，又重新调度B1执行；在t = 40时，A3又到达，但B1的截止时间要比A3早，仍应让B1继续执行直到完成(t = 45)，然后再调度A3执行；在t = 55时，A3完成，又调度B2执行。在该例中利用最早截止时间优先算法可以满足系统的要求。,2. 最低松弛度优先即
24、LLF(Least Laxity First)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。任务的紧急程度愈高，为该任务所赋予的优先级就愈高， 以使之优先执行。如下例：松弛度截止时间（就绪时间计算时间） 松弛度越小说明越紧迫，优先级会越高，就绪后应该尽快执行。理解：在保证进程被调度执行的情况下，最晚应该在什么时间得到调度，才能够保证顺利完成任务。中间可以有多大的宽裕度。,例子：在一个实时系统中，有两个周期性的进程A和B，任务A要求每20毫秒执行一次，执行时间为10毫秒；任务B只要求每50毫秒执行一次，执行时间为25毫秒。请计算A、B进程的每次的调度时间。,图 3-8 A和B任
25、务每次必须完成的时间,依照此图中进程AB必须完成的时间点，向前推算什么时候队各进程进行调度。（允许抢占cpu）,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,B1的松弛度为15ms，故调度程序应选择B1运行。t3=30 ms，A2的松弛度已减为0(即40-10-3
26、0)，而B1的松弛度为15 ms(即50-5-30)，于是调度程序应抢占B1的处理机而调度A2运行。t4=40 ms时，A3的松弛度为10 ms(即60-10-40)，而B1的松弛度仅为5 ms(即50-5-40)，故又应重新调度B1执行。在t5=45 ms时，B1执行完成，而此时A3的松弛度已减为5 ms(即60-10-45)，而B2的松弛度为30 ms(即100-25-45)，于是又应调度A3执行。,t6=55ms，任务A尚未进入第4周期，而任务B已进入第2周期，故再调度B2执行。t7=70 ms，A4的松弛度已减至0 ms(即80-10-70)，而B2的松弛度为20 ms(即100-10-70)，故此时调度又应抢占B2的处理机而调度A4执行。,图 3-9 利用ELLF算法进行调度的情况,
