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(3)处理机调度与死锁——计算机操作系统复习笔记
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(3)处理机调度与死锁——计算机操作系统复习笔记

一、处理机调度的概念、层次

在多道程序系统中,进程的数量往往是多于处理机的个数的,这样不可能同时并行地处理各个进程处理机调度,就是从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行,以实现进程的并发执行。

调度的三个层次

高级调度(作业调度)。按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个(或多个)作业,给他们分配内存等必要资源,并建立相应的进程(建立 PCB),以使它(们)获得竞争处理机的权利
高级调度是辅存(外存)与内存之间的调度。每个作业只调入一次,调出一次。作业调入时会建立相应的 PCB,作业调出时才撤销 PCB。高级调度主要是指调入的问题,因为只有调入的时机需要操作系统来确定,但调出的时机必然是作业运行结束才调出。

引入了虚拟存储技术之后,可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且内存又稍有空闲时,再重新调入内存。这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量
暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态中级调度(内存调度),就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。一个进程可能会被多次调出、调入内存,因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。

七状态模型(了解)

低级调度( 进程调度),其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一一个进程,将处理机分配给它。
进程调度是操作系统中最基本的一种调度,在--般的操作系统中都必须配置进程调度。进程调度的频率很高,一般几十毫秒一次。

三层调度的联系、对比

总结

二、进程调度的时机、方式、切换与过程

进程调用的时机(了解)

进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换(对)
(2012 年联考真题)进程处于临界区时不能进行处理机调度(错)
临界资源:一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥地访问临界资源。
临界区:访问临界资源的那段代码。
内核程序临界区一般是用来访问某种内核数据结构的,比如进程的就绪队列(由各就绪进程的 PCB 组成)

进程调用的方式

非剥夺调度方式,又称非抢占方式。即,只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便有更紧迫的任务到达,当前进程依然会继续使用处理机,直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。

  • 实现简单,系统开销小但是无法及时处理紧急任务
  • 适合于早期的批处理系统。

剥夺调度方式,又称抢占方式。当一个进程正在处理机上执行时,如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机,则立即暂停正在执行的进程,将处理机分配给更重要紧迫的那个进程。

  • 可以优先处理更紧急的进程,也可实现让各进程按时间片轮流执行的功能(通过时钟中断)。
  • 适合于分时操作系统、实时操作系统。

“狭义的进程调度”与“进程切换"的区别(了解):
狭义的进程调度指的是从就绪队列中选中一个要运行的进程。(这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程,也可能是另一个进程,后一种情况就需要进程切换)
进程切换是指一个进程让出处理机,由另一个进程占用处理机的过程。
广义的进程调度包含了选择一个进程和进程切换两个步骤。

总结

三、调度算法的评价指标

CPU 利用率:指 CPU“忙碌”的时间占总时间的比例。
利用率 = 忙碌的时间/总时间
有的题目还会要求计算某种设备的利用率。

系统吞吐量:单位时间内完成作业的数量
系统吞吐量 = 总共完成了多少道作业/总共花了多少时间

周转时间,是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
(作业)周转时间= 作业完成时间-作业提交时间
平均周转时间= 各作业周转时间之和/作业数

带权周转时间= 作业周转时间/作业实际运行的时间 = 作业实际运行的时间/作业完成时间-作业提交时间
平均带权周转时间= 各作业带权周转时间/作业数

等待时间,指进程/作业处于等待处理机状态时间之和,等待时间越长,用户满意度越低。
对于进程来说,等待时间就是指进程建立后等待被服务的时间之和,在等待 I/O 完成的期间其实进程也是在被服务的,所以不计入等待时间。
对于作业来说,不仅要考虑建立进程后的等待时间,还要加上作业在外存后备队列中等待的时间

响应时间,指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。

四、调度算法

先来先服务 FCFS

短作业优先 SJF

最短剩余时间优先算法(了解): 每当有进程加入就绪队列改变时就需要调度,如果新到达的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短,则由新进程抢占处理机,当前运行进程重新回到就绪队列。另外,当一个进程完成时也需要调度。

高响应比优先 HRRN

总结
这三种算法一般适合用于早期的批处理系统,FCFS 也常结合其他的算法使用,现在也扮演着很重要的角色。

时间片轮转 RR

优先级调度 PSA

抢占式的优先级调度算法(了解): 每次调度时选择当前已到达且优先级最高的进程。当前进程主动放弃处理机时发生调度。另外,当就绪队列发生改变时也需要检查是会发生抢占。

多级反馈队列

总结
这三种三方适合用于交互式系统

五、死锁

1.死锁的概念

在并发环境下,各进程因竞争资源而造成的一种互相等待对方手里的资源,导致各进程都阻塞,都无法向前推进的现象,就是“死锁'。发生死锁后若无外力干涉,这些进程都将无法向前推进。

死锁、饥饿、死循环的区别
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死锁产生的必要条件
产生死锁必须同时满足一下四个条件,只要其中任一-条件不成立,死锁就不会发生。
互斥条件:只有对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁(如哲学家的筷子、打印机设备)。像内存、扬声器这样可以同时让多个进程使用的资源是不会导致死锁的(因为进程不用阻塞等待这种资源)。
不剥夺条件:进程所获得的资源在未使用完之前,不能由其他进程强行夺走,只能主动释放。
请求和保持条件:进程已经保持了至少一个资源,但又提出了新的资源请求,而该资源又被其他进程占有,此时请求进程被阻塞,但又对自己已有的资源保持不放。
循环等待条件:存在- -种进程资源的循环等待链,链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。

注意!发生死锁时一定有循环等待,但是发生循环等待时未必死锁(循环等待是死锁的必要不充分条件)

死锁的处理策略
1.预防死锁。 破坏死锁产生的四个必要条件中的一一个或几个。
2.避免死锁。用某种方法防止系统进入不安全状态,从而避免死锁(银行家算法)。
3.死锁的检测和解除。允许死锁的发生,不过操作系统会负责检测出死锁的发生,然后采取某种措施解除死锁。

总结

2.预防死锁(了解)

破坏互斥条件
互斥条件:只有对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁。
如果把只能互斥使用的资源改造为允许共享使用,则系统不会进入死锁状态。比如: SPOOLing 技术。
该策略的缺点:并不是所有的资源都可以改造成可共享使用的资源。

破坏不剥夺条件
方案一:当某个进程请求新的资源得不到满足时,它必须立即释放保持的所有资源,待以后需要时再重新申请。
方案二:当某个进程需要的资源被其他进程所占有的时候,可以由操作系统协助,将想要的资源强行剥夺。
该策略的缺点:
1.实现复杂。
2.释放已获得的资源可能造成前一阶段工作的失效。
3.反复地申请和释放资源会增加系统开销,降低系统吞吐量。
4.可能导致进程饥饿。

破坏请求和保持条件
可以采用静态分配方法,即进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源,在它的资源未满足前,不让它投入运行。一旦投入运行后,这些资源就一- 直归它所有,该进程就不会再请求别的任何资源了。
缺点:
资源利用率极低。也有可能导致某些进程饥饿。

破坏循环等待条件
可采用顺序资源分配法。首先给系统中的资源编号,规定每个进程必须按编号递增的顺序请求资源,同类资源(即编号相同的资源)一次申请完。
缺点:
不方便增加新的设备;会导致资源浪费;

总结

3.避免死锁

安全序列、不安全状态、死锁的联系

所谓安全序列,就是指如果系统按照这种序列分配资源,则每个进程都能顺利完成。只要能找出一个安全序列,系统就是安全状态。当然,安全序列可能有多个。
如果分配了资源之后,系统中找不出任何一一个安全序列,系统就进入了不安全状态。这就意味着之后可能所有进程都无法顺利的执行下去。当然,如果有进程提前归还了一些资源,那系统也有可能重新回到安全状态,不过我们在分配资源之前总是要考虑到最坏的情况。
如果系统处于安全状态,就一定不会发生死锁。如果系统进入不安全状态,就可能发生死锁(处于不安全状态未必就是发生了死锁,但发生死锁时一定是在不安全状态)
因此可以在资源分配之前预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态,以此决定是否答应资源分配请求。这也是“银行家算法”的核心思想。

银行家算法

银行家算法是荷兰学者 Dijkstra 为银行系统设计的,以确保银行在发放现金贷款时,不会发生不能满足所有客户需要的情况。后来该算法被用在操作系统中,用于避免死锁
核心思想:在进程提出资源申请时,先预判此次分配是否会导致系统进入不安全状态。如果会进入不安全状态,就暂时不答应这次请求,让该进程先阻塞等待。

例子

银行家算法预判分配是否会导致系统进入不安全状态:
① 如果 Requesti[j]<=Need[i, i] (0<=j<=m)便转向 ② ;否则认为出错。
② 如果 Requesti[j]<=Available[j] (0<=j<=m),便转向 ③ ,否则表示尚无足够资源,Pi 必须等待。

③ 系统试探着把资源分配给进程 Pi,并修改相应的数据(并非真的分配,修改数值只是为了做顿判):
Available = Available - Request;

Allocation[i, j] = Allocation[i, j] + Request,;[];

Need[i, j] = Need[i, j] - Request;[j]

④ 操作系统执行安全性算法,检查此次资源分配后,系统是否处于安全状态。若安全,才正式分配:否则,恢复相应数据,让进程阻塞等待。

4.死锁的检测和解除

死锁的检测

为了能对系统是否已发生了死锁进行检测,必须:
① 用某种数据结构来保存资源的请求和分配信息;
② 提供一种算法,利用。上述信息来检测系统是否已进入死锁状态

如果系统中剩余的可用资源数足够满足进程的需求,那么这个进程暂时是不会阻塞的,可以顺利地执行下去。如果这个进程执行结束了把资源归还系统,就可能使某些正在等待资源的进程被激活,并顺利地执行下去。相应的,这些被激活的进程执行完了之后又会归还一些资源,这样可能又会激活另外一些阻塞的进程..

如果按上述过程分析,最终能消除所有边,就称这个图是可完全简化的。此时一定没有发生死锁(相当于能找到一个安全序列)。如果最终不能消除所有边,那么此时就是发生了死锁。最终还连着边的那些进程就是处于死锁状态的进程。

死锁定理:如果某时刻系统的资源分配图是不可完全简化的,那么此时系统死锁。

死锁的解除

一旦检测出死锁的发生,就应该立即解除死锁。
补充:并不是系统中所有的进程都是死锁状态,用死锁检测算法化简资源分配图后,还连着边的那些进程就是死锁进程。
解除死锁的主要方法有:
1.资源剥夺法。挂起( 暂时放到外存上)某些死锁进程,并抢占它的资源,将这些资源分配给其他的死锁进程。但是应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿。
2.撤销进程法(或称终止进程法)。强制撤销部分、甚至全部死锁进程,并剥夺这些进程的资源。这种方式的优点是实现简单,但所付出的代价可能会很大。因为有些进程可能已经运行了很长时间,已经接近结束了,一旦被终止可谓功亏一篑,以后还得从头再来。
3.进程回退法。让一个或多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步。这就要求系统要记录进程的历史信息,设置还原点。

总结


标题:(3)处理机调度与死锁——计算机操作系统复习笔记
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