1、第三章處理機調度與死鎖 第三章處理機調度與死鎖 3.1 處理機調度的層次處理機調度的層次3.2 調度隊列模型和調度準則調度隊列模型和調度準則3.3 調度算法調度算法3.4 實時調度實時調度 3.5 產生死鎖的原因和必要條件產生死鎖的原因和必要條件3.6 預防死鎖的方法預防死鎖的方法3.7 死鎖的檢測與解除死鎖的檢測與解除 第三章處理機調度與死鎖 3.1處理機調度的層次處理機調度的層次 3.1.13.1.1高級調度高級調度1 1作業和作業步作業和作業步(1) 作業(Job)。作業是一個比程序更為廣泛的概念，它不僅包含了通常的程序和數據，而且還應配有一份作業說明書，系統根據該說明書來對程序的運行進

2、行控制。在批處理系統中，是以作業為基本單位從外存調入內存的。 第三章處理機調度與死鎖 (2) 作業步(Job Step)。通常，在作業運行期間，每個作業都必須經過若干個相對獨立，又相互關聯的順序加工步驟才能得到結果，我們把其中的每一個加工步驟稱為一個作業步，各作業步之間存在著相互聯系，往往是把上一個作業步的輸出作為下一個作業步的輸入。例如，一個典型的作業可分成三個作業步： “編譯”作業步，通過執行編譯程序對源程序進行編譯，產生若干個目標程序段； “連結裝配”作業步，將“編譯”作業步所產生的若干個目標程序段裝配成可執行的目標程序； “運行”作業步，將可執行的目標程序讀入內存并控制其運行。(3)

3、作業流。若干個作業進入系統后，被依次存放在外存上，這便形成了輸入的作業流；在操作系統的控制下，逐個作業進行處理，于是便形成了處理作業流。 第三章處理機調度與死鎖 2 2作業控制塊作業控制塊JCB(Job Control Block)JCB(Job Control Block)為了管理和調度作業，在多道批處理系統中為每個作業設置了一個作業控制塊，如同進程控制塊是進程在系統中存在的標志一樣，它是作業在系統中存在的標志，其中保存了系統對作業進行管理和調度所需的全部信息。在JCB中所包含的內容因系統而異，通常應包含的內容有：作業標識、用戶名稱、用戶帳戶、作業類型(CPU 繁忙型、I/O 繁忙型、批量型

4、、終端型)、作業狀態、調度信息(優先級、作業已運行時間)、資源需求(預計運行時間、要求內存大小、要求I/O設備的類型和數量等)、進入系統時間、開始處理時間、作業完成時間、作業退出時間、資源使用情況等。 第三章處理機調度與死鎖 每當作業進入系統時，系統便為每個作業建立一個JCB，根據作業類型將它插入相應的后備隊列中。作業調度程序依據一定的調度算法來調度它們，被調度到的作業將會裝入內存。在作業運行期間，系統就按照JCB中的信息對作業進行控制。當一個作業執行結束進入完成狀態時，系統負責回收分配給它的資源，撤消它的作業控制塊。 第三章處理機調度與死鎖 3 3作業調度作業調度作業調度的主要功能是根據作業

5、控制塊中的信息，審查系統能否滿足用戶作業的資源需求，以及按照一定的算法，從外存的后備隊列中選取某些作業調入內存，并為它們創建進程、分配必要的資源。然后再將新創建的進程插入就緒隊列，準備執行。因此，有時也把作業調度稱為接納調度(Admission Scheduling)。 第三章處理機調度與死鎖 對用戶而言，總希望自己作業的周轉時間盡可能的少，最好周轉時間就等于作業的執行時間。然而對系統來說，則希望作業的平均周轉時間盡可能少，有利于提高CPU 的利用率和系統的吞吐量。為此，每個系統在選擇作業調度算法時，既應考慮用戶的要求，又能確保系統具有較高的效率。在每次執行作業調度時，都須做出以下兩個決定。

6、第三章處理機調度與死鎖 1) 決定接納多少個作業作業調度每次要接納多少個作業進入內存，取決于多道程序度(Degree of Multiprogramming)，即允許多少個作業同時在內存中運行。當內存中同時運行的作業數目太多時，可能會影響到系統的服務質量，比如，使周轉時間太長。但如果在內存中同時運行作業的數量太少時，又會導致系統的資源利用率和系統吞吐量太低，因此，多道程序度的確定應根據系統的規模和運行速度等情況做適當的折衷。 第三章處理機調度與死鎖 2) 決定接納哪些作業應將哪些作業從外存調入內存，這將取決于所采用的調度算法。最簡單的是先來先服務調度算法，這是指將最早進入外存的作業最先調入內存

7、；較常用的一種算法是短作業優先調度算法，是將外存上最短的作業最先調入內存；另一種較常用的是基于作業優先級的調度算法，該算法是將外存上優先級最高的作業優先調入內存；比較好的一種算法是“響應比高者優先”的調度算法。我們將在后面對上述幾種算法作較為詳細的介紹。 第三章處理機調度與死鎖 在批處理系統中，作業進入系統后，總是先駐留在外存的后備隊列上，因此需要有作業調度的過程，以便將它們分批地裝入內存。然而在分時系統中，為了做到及時響應，用戶通過鍵盤輸入的命令或數據等都是被直接送入內存的，因而無需再配置上述的作業調度機制，但也需要有某些限制性措施來限制進入系統的用戶數。即，如果系統尚未飽和，將接納所有授權

8、用戶，否則，將拒絕接納。類似地，在實時系統中通常也不需要作業調度。 第三章處理機調度與死鎖 3.1.2 3.1.2 低級調度低級調度通常也把低級調度(Low Level Scheduling)稱為進程調度或短程調度(ShortTerm Scheduling)，它所調度的對象是進程(或內核級線程)。進程調度是最基本的一種調度，在多道批處理、分時和實時三種類型的OS中，都必須配置這級調度。1 1低級調度的功能低級調度的功能低級調度用于決定就緒隊列中的哪個進程(或內核級線程，為敘述方便，以后只寫進程)應獲得處理機，然后再由分派程序執行把處理機分配給該進程的具體操作。第三章處理機調度與死鎖 低級調度的

9、主要功能如下： (1) 保存處理機的現場信息。在進程調度進行調度時，首先需要保存當前進程的處理機的現場信息，如程序計數器、多個通用寄存器中的內容等，將它們送入該進程的進程控制塊(PCB)中的相應單元。(2) 按某種算法選取進程。低級調度程序按某種算法如優先數算法、輪轉法等，從就緒隊列中選取一個進程，把它的狀態改為運行狀態，并準備把處理機分配給它。 (3) 把處理器分配給進程。由分派程序(Dispatcher)把處理器分配給進程。此時需為選中的進程恢復處理機現場，即把選中進程的進程控制塊內有關處理機現場的信息裝入處理器相應的各個寄存器中，把處理器的控制權交給該進程，讓它從取出的斷點處開始繼續運行

10、。 第三章處理機調度與死鎖 2 2進程調度中的三個基本機制進程調度中的三個基本機制為了實現進程調度，應具有如下三個基本機制：(1) 排隊器。為了提高進程調度的效率，應事先將系統中所有的就緒進程按照一定的方式排成一個或多個隊列，以便調度程序能最快地找到它。(2) 分派器(分派程序)。分派器把由進程調度程序所選定的進程，從就緒隊列中取出該進程，然后進行上下文切換，將處理機分配給它 第三章處理機調度與死鎖 (3) 上下文切換機制。當對處理機進行切換時，會發生兩對上下文切換操作。在第一對上下文切換時，操作系統將保存當前進程的上下文，而裝入分派程序的上下文，以便分派程序運行；在第二對上下文切換時，將移出

11、分派程序，而把新選進程的CPU現場信息裝入到處理機的各個相應寄存器中。 第三章處理機調度與死鎖 應當指出，上下文切換將花去不少的處理機時間，即使是現代計算機，每一次上下文切換大約需要花費幾毫秒的時間，該時間大約可執行上千條指令。為此，現在已有通過硬件(采用兩組或多組寄存器)的方法來減少上下文切換的時間。一組寄存器供處理機在系統態時使用，另一組寄存器供應用程序使用。在這種條件下的上下文切換只需改變指針，使其指向當前寄存器組即可。 第三章處理機調度與死鎖 3 3進程調度方式進程調度方式進程調度可采用下述兩種調度方式。1) 非搶占方式(Nonpreemptive Mode)在采用這種調度方式時，一旦

12、把處理機分配給某進程后，不管它要運行多長時間，都一直讓它運行下去，決不會因為時鐘中斷等原因而搶占正在運行進程的處理機，也不允許其它進程搶占已經分配給它的處理機。直至該進程完成，自愿釋放處理機，或發生某事件而被阻塞時，才再把處理機分配給其他進程。 第三章處理機調度與死鎖 在采用非搶占調度方式時，可能引起進程調度的因素可歸結為如下幾個：(1) 正在執行的進程執行完畢，或因發生某事件而不能再繼續執行；(2) 執行中的進程因提出I/O請求而暫停執行；(3) 在進程通信或同步過程中執行了某種原語操作，如P操作(wait操作)、Block原語、Wakeup原語等。這種調度方式的優點是實現簡單，系統開銷小，

13、適用于大多數的批處理系統環境。但它難以滿足緊急任務的要求立即執行，因而可能造成難以預料的后果。顯然，在要求比較嚴格的實時系統中，不宜采用這種調度方式。 第三章處理機調度與死鎖 2) 搶占方式(Preemptive Mode)這種調度方式允許調度程序根據某種原則去暫停某個正在執行的進程，將已分配給該進程的處理機重新分配給另一進程。搶占方式的優點是，可以防止一個長進程長時間占用處理機，能為大多數進程提供更公平的服務，特別是能滿足對響應時間有著較嚴格要求的實時任務的需求。但搶占方式比非搶占方式調度所需付出的開銷較大。搶占調度方式是基于一定原則的，主要有如下幾條： 第三章處理機調度與死鎖 (1) 優先

14、權原則。通常是對一些重要的和緊急的作業賦予較高的優先權。當這種作業到達時，如果其優先權比正在執行進程的優先權高，便停止正在執行(當前)的進程，將處理機分配給優先權高的新到的進程，使之執行；或者說，允許優先權高的新到進程搶占當前進程的處理機。(2) 短作業(進程)優先原則。當新到達的作業(進程)比正在執行的作業(進程)明顯的短時，將暫停當前長作業(進程)的執行，將處理機分配給新到的短作業(進程)，使之優先執行； 或者說，短作業(進程)可以搶占當前較長作業(進程)的處理機。(3) 時間片原則。各進程按時間片輪流運行，當一個時間片用完后，便停止該進程的執行而重新進行調度。這種原則適用于分時系統、大多

15、數的實時系統，以及要求較高的批處理系統。 第三章處理機調度與死鎖 3.1.3 3.1.3 中級調度中級調度中級調度(Intermediate Level Scheduling)又稱中程調度(Medium-Term Scheduling)。引入中級調度的主要目的是為了提高內存利用率和系統吞吐量。為此，應使那些暫時不能運行的進程不再占用寶貴的內存資源，而將它們調至外存上去等待，把此時的進程狀態稱為就緒駐外存狀態或掛起狀態。當這些進程重又具備運行條件且內存又稍有空閑時，由中級調度來決定把外存上的那些又具備運行條件的就緒進程重新調入內存，并修改其狀態為就緒狀態，掛在就緒隊列上等待進程調度。中級調度實際

16、上就是存儲器管理中的對換功能，我們將在第四章中做詳細闡述。 第三章處理機調度與死鎖 在上述三種調度中，進程調度的運行頻率最高，在分時系統中通常是10100 ms便進行一次進程調度，因此把它稱為短程調度。為避免進程調度占用太多的CPU時間，進程調度算法不宜太復雜。作業調度往往是發生在一個(批)作業運行完畢，退出系統，而需要重新調入一個(批)作業進入內存時，故作業調度的周期較長，大約幾分鐘一次，因此把它稱為長程調度。由于其運行頻率較低，故允許作業調度算法花費較多的時間。中級調度的運行頻率基本上介于上述兩種調度之間，因此把它稱為中程調度。 第三章處理機調度與死鎖 3.2 調度隊列模型和調度準則調度隊

17、列模型和調度準則 3.2.13.2.1調度隊列模型調度隊列模型1 1僅有進程調度的調度隊列模型僅有進程調度的調度隊列模型在分時系統中，通常僅設置了進程調度，用戶鍵入的命令和數據都直接送入內存。對于命令，是由OS為之建立一個進程。系統可以把處于就緒狀態的進程組織成棧、樹或一個無序鏈表，至于到底采用其中哪種形式，則與OS類型和所采用的調度算法有關。例如，在分時系統中，常把就緒進程組織成FIFO隊列形式。每當OS創建一個新進程時，便將它掛在就緒隊列的末尾，然后按時間片輪轉方式運行。 第三章處理機調度與死鎖 每個進程在執行時都可能出現以下三種情況：(1) 任務在給定的時間片內已經完成，該進程便在釋放處

18、理機后進入完成狀態；(2) 任務在本次分得的時間片內尚未完成，OS便將該任務再放入就緒隊列的末尾；(3) 在執行期間，進程因為某事件而被阻塞后，被OS放入阻塞隊列。圖3-1示出了僅具有進程調度的調度隊列模型。 第三章處理機調度與死鎖 圖圖 3-1僅具有進程調度的調度隊列模型僅具有進程調度的調度隊列模型 就 緒 隊 列阻 塞 隊 列進程調度CPU進程完成等待事件交互用戶事件出現時間片完第三章處理機調度與死鎖 2 2具有高級和低級調度的調度隊列模型具有高級和低級調度的調度隊列模型在批處理系統中，不僅需要進程調度，而且還需有作業調度，由后者按一定的作業調度算法，從外存的后備隊列中選擇一批作業調入內存

19、，并為它們建立進程，送入就緒隊列，然后才由進程調度按照一定的進程調度算法選擇一個進程，把處理機分配給該進程。圖3-2示出了具有高、低兩級調度的調度隊列模型。該模型與上一模型的主要區別在于如下兩個方面。 第三章處理機調度與死鎖 (1) 就緒隊列的形式。在批處理系統中，最常用的是最高優先權優先調度算法，相應地，最常用的就緒隊列形式是優先權隊列。進程在進入優先級隊列時，根據其優先權的高低，被插入具有相應優先權的位置上，這樣，調度程序總是把處理機分配給就緒隊列中的隊首進程。在最高優先權優先的調度算法中，也可采用無序鏈表方式，即每次把新到的進程掛在鏈尾，而調度程序每次調度時，是依次比較該鏈中各進程的優先

20、權，從中找出優先權最高的進程，將之從鏈中摘下，并把處理機分配給它。顯然，無序鏈表方式與優先權隊列相比，這種方式的調度效率較低。 第三章處理機調度與死鎖 圖 3-2具有高、低兩級調度的調度隊列模型 就 緒 隊 列進程調度CPU進程完成等待事件1作業調度事件1出現時間片完等待事件2事件2出現等待事件n事件n出現后 備 隊 列第三章處理機調度與死鎖 (2) 設置多個阻塞隊列。對于小型系統，可以只設置一個阻塞隊列；但當系統較大時，若仍只有一個阻塞隊列，其長度必然會很長，隊列中的進程數可以達到數百個，這將嚴重影響對阻塞隊列操作的效率。故在大、中型系統中通常都設置了若干個阻塞隊列，每個隊列對應于某一種進程

21、阻塞事件。 第三章處理機調度與死鎖 3 3同時具有三級調度的調度隊列模型同時具有三級調度的調度隊列模型當在OS中引入中級調度后，人們可把進程的就緒狀態分為內存就緒(表示進程在內存中就緒)和外存就緒(進程在外存中就緒)。類似地，也可把阻塞狀態進一步分成內存阻塞和外存阻塞兩種狀態。在調出操作的作用下，可使進程狀態由內存就緒轉為外存就緒，由內存阻塞轉為外存阻塞；在中級調度的作用下，又可使外存就緒轉為內存就緒。圖3-3示出了具有三級調度的調度隊列模型。 第三章處理機調度與死鎖 圖 3-3具有三級調度時的調度隊列模型 就緒隊列進程調度CPU就緒，掛起隊列中級調度阻塞，掛起隊列阻塞隊列等待事件進程完成時間

22、片完作業調度交互型作業后備隊列批量作業掛起事件出現事件出現第三章處理機調度與死鎖 3.2.23.2.2選擇調度方式和調度算法的若干準則選擇調度方式和調度算法的若干準則1 1面向用戶的準則面向用戶的準則 (1) 周轉時間短。通常把周轉時間的長短作為評價批處理系統的性能、選擇作業調度方式與算法的重要準則之一。所謂周轉時間，是指從作業被提交給系統開始，到作業完成為止的這段時間間隔(稱為作業周轉時間)。它包括四部分時間：作業在外存后備隊列上等待(作業)調度的時間，進程在就緒隊列上等待進程調度的時間，進程在CPU上執行的時間，以及進程等待I/O操作完成的時間。其中的后三項在一個作業的整個處理過程中可能會

23、發生多次。 第三章處理機調度與死鎖 對每個用戶而言，都希望自己作業的周轉時間最短。但作為計算機系統的管理者，則總是希望能使平均周轉時間最短，這不僅會有效地提高系統資源的利用率，而且還可使大多數用戶都感到滿意。可把平均周轉時間描述為： niiTnT11第三章處理機調度與死鎖 作業的周轉時間T與系統為它提供服務的時間Ts之比，即W = T/Ts，稱為帶權周轉時間，而平均帶權周轉時間則可表示為： niiTTnW1s1第三章處理機調度與死鎖 (2) 響應時間快。常把響應時間的長短用來評價分時系統的性能，這是選擇分時系統中進程調度算法的重要準則之一。所謂響應時間，是從用戶通過鍵盤提交一個請求開始，直至系

24、統首次產生響應為止的時間，或者說，直到屏幕上顯示出結果為止的一段時間間隔。它包括三部分時間：從鍵盤輸入的請求信息傳送到處理機的時間，處理機對請求信息進行處理的時間，以及將所形成的響應信息回送到終端顯示器的時間。 第三章處理機調度與死鎖 (3) 截止時間的保證。這是評價實時系統性能的重要指標，因而是選擇實時調度算法的重要準則。所謂截止時間，是指某任務必須開始執行的最遲時間，或必須完成的最遲時間。對于嚴格的實時系統，其調度方式和調度算法必須能保證這一點，否則將可能造成難以預料的后果。(4) 優先權準則。在批處理、分時和實時系統中選擇調度算法時，都可遵循優先權準則，以便讓某些緊急的作業能得到及時處理

25、。在要求較嚴格的場合，往往還須選擇搶占式調度方式，才能保證緊急作業得到及時處理。 第三章處理機調度與死鎖 2 2面向系統的準則面向系統的準則這是為了滿足系統要求而應遵循的一些準則。其中，較重要的有以下幾點：(1) 系統吞吐量高。這是用于評價批處理系統性能的另一個重要指標，因而是選擇批處理作業調度的重要準則。由于吞吐量是指在單位時間內系統所完成的作業數，因而它與批處理作業的平均長度具有密切關系。對于大型作業，一般吞吐量約為每小時一道作業；對于中、小型作業，其吞吐量則可能達到數十道作業之多。作業調度的方式和算法對吞吐量的大小也將產生較大影響。事實上，對于同一批作業，若采用了較好的調度方式和算法，則

26、可顯著地提高系統的吞吐量。 第三章處理機調度與死鎖 (2) 處理機利用率好。對于大、中型多用戶系統，由于CPU價格十分昂貴，致使處理機的利用率成為衡量系統性能的十分重要的指標；而調度方式和算法對處理機的利用率起著十分重要的作用。在實際系統中，CPU的利用率一般在40%(系統負荷較輕)到90%之間。在大、中型系統中，在選擇調度方式和算法時，應考慮到這一準則。但對于單用戶微機或某些實時系統，則此準則就不那么重要了。 第三章處理機調度與死鎖 (3) 各類資源的平衡利用。在大、中型系統中，不僅要使處理機的利用率高，而且還應能有效地利用其它各類資源，如內存、外存和I/O設備等。選擇適當的調度方式和算法可

27、以保持系統中各類資源都處于忙碌狀態。但對于微型機和某些實時系統而言，該準則并不重要。 第三章處理機調度與死鎖 3.3調調 度度 算算 法法 3.2.13.2.1先來先服務和短作業先來先服務和短作業( (進程進程) )優先調度算法優先調度算法1 1先來先服務調度算法先來先服務調度算法先來先服務(FCFS)調度算法是一種最簡單的調度算法，該算法既可用于作業調度，也可用于進程調度。當在作業調度中采用該算法時，每次調度都是從后備作業隊列中選擇一個或多個最先進入該隊列的作業，將它們調入內存，為它們分配資源、創建進程，然后放入就緒隊列。在進程調度中采用FCFS算法時，則每次調度是從就緒隊列中選擇一個最先進

28、入該隊列的進程，為之分配處理機，使之投入運行。該進程一直運行到完成或發生某事件而阻塞后才放棄處理機。 第三章處理機調度與死鎖 FCFS算法比較有利于長作業(進程)，而不利于短作業(進程)。下表列出了A、B、C、D四個作業分別到達系統的時間、要求服務的時間、開始執行的時間及各自的完成時間，并計算出各自的周轉時間和帶權周轉時間。 進程名 到達時間 服務時間 開始執行時間 完成時間 周轉時間 帶權周 轉時間 A 0 1 0 1 1 1 B 1 100 1 101 100 1 C 2 1 101 102 100 100 D 3 100 102 202 199 1.99 第三章處理機調度與死鎖 從表上可

29、以看出，其中短作業C的帶權周轉時間競高達100，這是不能容忍的；而長作業D的帶權周轉時間僅為1.99。據此可知，FCFS調度算法有利于CPU繁忙型的作業，而不利于I/O繁忙型的作業(進程)。CPU繁忙型作業是指該類作業需要大量的CPU時間進行計算，而很少請求I/O。通常的科學計算便屬于CPU繁忙型作業。I/O繁忙型作業是指CPU進行處理時需頻繁地請求I/O。目前的大多數事務處理都屬于I/O繁忙型作業。第三章處理機調度與死鎖 在此，我們通過一個例子來說明采用FCFS調度算法時的調度性能。圖3-4(a)示出有五個進程A、B、C、D、E，它們到達的時間分別是0、1、2、3和4，所要求的服務時間分別是

30、4、3、5、2和4，其完成時間分別是4、7、12、14和18。從每個進程的完成時間中減去其到達時間，即得到其周轉時間，進而可以算出每個進程的帶權周轉時間。 第三章處理機調度與死鎖 圖3-4FCFS和SJF調度算法的性能 進程名 A B C D E 平 均 到達時間 0 1 2 3 4 作業 情況 調度 算法 服務時間 4 3 5 2 4 完成時間 4 7 12 14 18 周轉時間 4 6 10 11 14 9 FCFS (a) 帶權周轉時間 1 2 2 5.5 3.5 2.8 完成時間 4 9 18 6 13 周轉時間 4 8 16 3 9 8 SJF (b) 帶權周轉時間 1 2.67 3

31、.1 1.5 2.25 2.1 第三章處理機調度與死鎖 2 2短作業短作業( (進程進程) )優先調度算法優先調度算法短作業(進程)優先調度算法SJ(P)F，是指對短作業或短進程優先調度的算法。它們可以分別用于作業調度和進程調度。短作業優先(SJF)的調度算法是從后備隊列中選擇一個或若干個估計運行時間最短的作業，將它們調入內存運行。而短進程優先(SPF)調度算法則是從就緒隊列中選出一個估計運行時間最短的進程，將處理機分配給它，使它立即執行并一直執行到完成，或發生某事件而被阻塞放棄處理機時再重新調度。 第三章處理機調度與死鎖 為了和FCFS調度算法進行比較，我們仍利用FCFS算法中所使用的實例，

32、并改用SJ(P)F算法重新調度，再進行性能分析。由圖3-4 中的(a)和(b)可以看出，采用SJ(P)F算法后，不論是平均周轉時間還是平均帶權周轉時間，都有較明顯的改善，尤其是對短作業D，其周轉時間由原來的(用FCFS算法時)11降為3；而平均帶權周轉時間是從5.5降到1.5。這說明SJF調度算法能有效地降低作業的平均等待時間，提高系統吞吐量。 第三章處理機調度與死鎖 SJ(P)F調度算法也存在不容忽視的缺點：(1) 該算法對長作業不利，如作業C的周轉時間由10增至16，其帶權周轉時間由2增至3.1。更嚴重的是，如果有一長作業(進程)進入系統的后備隊列(就緒隊列)，由于調度程序總是優先調度那些

33、(即使是后進來的)短作業(進程)，將導致長作業(進程)長期不被調度。(2) 該算法完全未考慮作業的緊迫程度，因而不能保證緊迫性作業(進程)會被及時處理。(3) 由于作業(進程)的長短只是根據用戶所提供的估計執行時間而定的，而用戶又可能會有意或無意地縮短其作業的估計運行時間，致使該算法不一定能真正做到短作業優先調度。 第三章處理機調度與死鎖 3.3.23.3.2高優先權優先調度算法高優先權優先調度算法1 1優先權調度算法的類型優先權調度算法的類型為了照顧緊迫型作業，使之在進入系統后便獲得優先處理，引入了最高優先權優先(FPF)調度算法。此算法常被用于批處理系統中，作為作業調度算法，也作為多種操作

34、系統中的進程調度算法，還可用于實時系統中。當把該算法用于作業調度時，系統將從后備隊列中選擇若干個優先權最高的作業裝入內存。當用于進程調度時，該算法是把處理機分配給就緒隊列中優先權最高的進程，這時，又可進一步把該算法分成如下兩種。 第三章處理機調度與死鎖 1) 非搶占式優先權算法在這種方式下，系統一旦把處理機分配給就緒隊列中優先權最高的進程后，該進程便一直執行下去，直至完成；或因發生某事件使該進程放棄處理機時，系統方可再將處理機重新分配給另一優先權最高的進程。這種調度算法主要用于批處理系統中；也可用于某些對實時性要求不嚴的實時系統中。 第三章處理機調度與死鎖 2) 搶占式優先權調度算法在這種方式

35、下，系統同樣是把處理機分配給優先權最高的進程，使之執行。但在其執行期間，只要又出現了另一個其優先權更高的進程，進程調度程序就立即停止當前進程(原優先權最高的進程)的執行，重新將處理機分配給新到的優先權最高的進程。因此，在采用這種調度算法時，是每當系統中出現一個新的就緒進程i時，就將其優先權Pi與正在執行的進程j的優先權Pj進行比較。如果PiPj，原進程Pj便繼續執行；但如果是PiPj，則立即停止Pj的執行，做進程切換，使i進程投入執行。顯然，這種搶占式的優先權調度算法能更好地滿足緊迫作業的要求，故而常用于要求比較嚴格的實時系統中，以及對性能要求較高的批處理和分時系統中。 第三章處理機調度與死鎖

36、 2 2優先權的類型優先權的類型對于最高優先權優先調度算法，其關鍵在于：它是使用靜態優先權，還是用動態優先權，以及如何確定進程的優先權。1) 靜態優先權靜態優先權是在創建進程時確定的，且在進程的整個運行期間保持不變。一般地，優先權是利用某一范圍內的一個整數來表示的，例如，07或0255中的某一整數，又把該整數稱為優先數，只是具體用法各異：有的系統用“0”表示最高優先權，當數值愈大時，其優先權愈低；而有的系統恰恰相反。 第三章處理機調度與死鎖 確定進程優先權的依據有如下三個方面：(1) 進程類型。通常，系統進程(如接收進程、對換進程、磁盤I/O進程)的優先權高于一般用戶進程的優先權。(2) 進程

37、對資源的需求。如進程的估計執行時間及內存需要量的多少，對這些要求少的進程應賦予較高的優先權。(3) 用戶要求。這是由用戶進程的緊迫程度及用戶所付費用的多少來確定優先權的。靜態優先權法簡單易行，系統開銷小，但不夠精確，很可能出現優先權低的作業(進程)長期沒有被調度的情況。因此，僅在要求不高的系統中才使用靜態優先權。 第三章處理機調度與死鎖 2) 動態優先權動態優先權是指在創建進程時所賦予的優先權，是可以隨進程的推進或隨其等待時間的增加而改變的，以便獲得更好的調度性能。例如，我們可以規定，在就緒隊列中的進程，隨其等待時間的增長，其優先權以速率a提高。若所有的進程都具有相同的優先權初值，則顯然是最先

38、進入就緒隊列的進程將因其動態優先權變得最高而優先獲得處理機，此即FCFS算法。若所有的就緒進程具有各不相同的優先權初值，那么，對于優先權初值低的進程，在等待了足夠的時間后，其優先權便可能升為最高，從而可以獲得處理機。當采用搶占式優先權調度算法時，如果再規定當前進程的優先權以速率b下降，則可防止一個長作業長期地壟斷處理機。 第三章處理機調度與死鎖 3 3高響應比優先調度算法高響應比優先調度算法在批處理系統中，短作業優先算法是一種比較好的算法，其主要的不足之處是長作業的運行得不到保證。如果我們能為每個作業引入前面所述的動態優先權，并使作業的優先級隨著等待時間的增加而以速率a提高，則長作業在等待一定

39、的時間后，必然有機會分配到處理機。該優先權的變化規律可描述為： 要求服務時間要求服務時間等待時間優先權第三章處理機調度與死鎖 由于等待時間與服務時間之和就是系統對該作業的響應時間，故該優先權又相當于響應比RP。據此，又可表示為： 要求服務時間響應時間要求服務時間要求服務時間等待時間PR第三章處理機調度與死鎖 由上式可以看出：(1) 如果作業的等待時間相同，則要求服務的時間愈短，其優先權愈高，因而該算法有利于短作業。(2) 當要求服務的時間相同時，作業的優先權決定于其等待時間，等待時間愈長，其優先權愈高，因而它實現的是先來先服務。 第三章處理機調度與死鎖 (3) 對于長作業，作業的優先級可以隨等

40、待時間的增加而提高，當其等待時間足夠長時，其優先級便可升到很高，從而也可獲得處理機。簡言之，該算法既照顧了短作業，又考慮了作業到達的先后次序，不會使長作業長期得不到服務。因此，該算法實現了一種較好的折衷。當然，在利用該算法時，每要進行調度之前，都須先做響應比的計算，這會增加系統開銷。 第三章處理機調度與死鎖 3.3.33.3.3基于時間片的輪轉調度算法基于時間片的輪轉調度算法1 1時間片輪轉法時間片輪轉法1) 基本原理在早期的時間片輪轉法中，系統將所有的就緒進程按先來先服務的原則排成一個隊列，每次調度時，把CPU分配給隊首進程，并令其執行一個時間片。時間片的大小從幾ms到幾百ms。當執行的時間

41、片用完時，由一個計時器發出時鐘中斷請求，調度程序便據此信號來停止該進程的執行，并將它送往就緒隊列的末尾；然后，再把處理機分配給就緒隊列中新的隊首進程，同時也讓它執行一個時間片。這樣就可以保證就緒隊列中的所有進程在一給定的時間內均能獲得一時間片的處理機執行時間。換言之，系統能在給定的時間內響應所有用戶的請求。 第三章處理機調度與死鎖 2) 時間片大小的確定在時間片輪轉算法中，時間片的大小對系統性能有很大的影響，如選擇很小的時間片將有利于短作業，因為它能較快地完成，但會頻繁地發生中斷、進程上下文的切換，從而增加系統的開銷；反之，如選擇太長的時間片，使得每個進程都能在一個時間片內完成，時間片輪轉算法

42、便退化為FCFS算法，無法滿足交互式用戶的需求。一個較為可取的大小是，時間片略大于一次典型的交互所需要的時間。這樣可使大多數進程在一個時間片內完成。圖3-5示出了時間片分別為q=1和q=4時，A、B、C、D、E五個進程的運行情況，而圖3-6為q=1和q=4時各進程的平均周轉時間和帶權平均周轉時間。圖中的RR(Round Robin)表示輪轉調度算法。 第三章處理機調度與死鎖 圖3-5 q=1和q=4時的進程運行情況 ABCDEABCDEABCEACE(a) q1(b) q412345678910 11 12 13 14 15 16 17t第三章處理機調度與死鎖 圖3-6 q=1和q=4時進程的

43、周轉時間 進程名 A B C D E 平均 到達時間 0 1 2 3 4 作業 情況 時 間 片 服務時間 4 3 4 2 4 完成時間 15 12 16 9 17 周轉時間 15 11 14 6 13 11.8 RR q=1 帶權周轉時間 3.75 3.67 3.5 3 3.33 3.46 完成時間 4 7 11 13 17 周轉時間 4 6 9 10 13 8.4 RR q=4 帶權周轉時間 1 2 2.25 5 3.33 2.5 第三章處理機調度與死鎖 2 2多級反饋隊列調度算法多級反饋隊列調度算法(1) 應設置多個就緒隊列，并為各個隊列賦予不同的優先級。第一個隊列的優先級最高，第二個隊

44、列次之，其余各隊列的優先權逐個降低。該算法賦予各個隊列中進程執行時間片的大小也各不相同，在優先權愈高的隊列中，為每個進程所規定的執行時間片就愈小。例如，第二個隊列的時間片要比第一個隊列的時間片長一倍，第i+1個隊列的時間片要比第i個隊列的時間片長一倍。圖3-7是多級反饋隊列算法的示意。 第三章處理機調度與死鎖 圖 3-7多級反饋隊列調度算法 就緒隊列 1就緒隊列 2就緒隊列 3就緒隊列 nS1S2S3至CPU至CPU至CPU至CPU(時間片： S1 S2 S3)第三章處理機調度與死鎖 (2) 當一個新進程進入內存后，首先將它放入第一隊列的末尾，按FCFS原則排隊等待調度。當輪到該進程執行時，如

45、它能在該時間片內完成，便可準備撤離系統；如果它在一個時間片結束時尚未完成，調度程序便將該進程轉入第二隊列的末尾，再同樣地按FCFS原則等待調度執行；如果它在第二隊列中運行一個時間片后仍未完成，再依次將它放入第三隊列，如此下去，當一個長作業(進程)從第一隊列依次降到第n隊列后，在第n隊列中便采取按時間片輪轉的方式運行。 第三章處理機調度與死鎖 (3) 僅當第一隊列空閑時，調度程序才調度第二隊列中的進程運行；僅當第1(i-1)隊列均空時，才會調度第i隊列中的進程運行。如果處理機正在第i隊列中為某進程服務時，又有新進程進入優先權較高的隊列(第1(i-1)中的任何一個隊列)，則此時新進程將搶占正在運行

46、進程的處理機，即由調度程序把正在運行的進程放回到第i隊列的末尾，把處理機分配給新到的高優先權進程。 第三章處理機調度與死鎖 3 3多級反饋隊列調度算法的性能多級反饋隊列調度算法的性能多級反饋隊列調度算法具有較好的性能，能很好地滿足各種類型用戶的需要。(1) 終端型作業用戶。由于終端型作業用戶所提交的作業大多屬于交互型作業，作業通常較小，系統只要能使這些作業(進程)在第一隊列所規定的時間片內完成，便可使終端型作業用戶都感到滿意。 第三章處理機調度與死鎖 (2) 短批處理作業用戶。對于很短的批處理型作業，開始時像終端型作業一樣，如果僅在第一隊列中執行一個時間片即可完成，便可獲得與終端型作業一樣的響

47、應時間。對于稍長的作業，通常也只需在第二隊列和第三隊列各執行一個時間片即可完成，其周轉時間仍然較短。(3) 長批處理作業用戶。對于長作業，它將依次在第1，2，n個隊列中運行，然后再按輪轉方式運行，用戶不必擔心其作業長期得不到處理。 第三章處理機調度與死鎖 3.4實實 時時 調調 度度 3.4.13.4.1實現實時調度的基本條件實現實時調度的基本條件1 1提供必要的信息提供必要的信息為了實現實時調度，系統應向調度程序提供有關任務的下述一些信息：(1) 就緒時間。這是該任務成為就緒狀態的起始時間，在周期任務的情況下，它就是事先預知的一串時間序列；而在非周期任務的情況下，它也可能是預知的。 第三章處

48、理機調度與死鎖 (2) 開始截止時間和完成截止時間。對于典型的實時應用，只須知道開始截止時間，或者知道完成截止時間。(3) 處理時間。這是指一個任務從開始執行直至完成所需的時間。在某些情況下，該時間也是系統提供的。(4) 資源要求。這是指任務執行時所需的一組資源。(5) 優先級。如果某任務的開始截止時間已經錯過，就會引起故障，則應為該任務賦予“絕對”優先級；如果開始截止時間的推遲對任務的繼續運行無重大影響，則可為該任務賦予“相對”優先級，供調度程序參考。 第三章處理機調度與死鎖 2 2系統處理能力強系統處理能力強在實時系統中，通常都有著多個實時任務。若處理機的處理能力不夠強，則有可能因處理機忙

49、不過來而使某些實時任務不能得到及時處理，從而導致發生難以預料的后果。假定系統中有m個周期性的硬實時任務，它們的處理時間可表示為Ci，周期時間表示為Pi，則在單處理機情況下，必須滿足下面的限制條件： 11miiiPC第三章處理機調度與死鎖 系統才是可調度的。假如系統中有6個硬實時任務，它們的周期時間都是 50 ms，而每次的處理時間為 10 ms，則不難算出，此時是不能滿足上式的，因而系統是不可調度的。解決的方法是提高系統的處理能力，其途徑有二：其一仍是采用單處理機系統，但須增強其處理能力，以顯著地減少對每一個任務的處理時間；其二是采用多處理機系統。假定系統中的處理機數為N，則應將上述的限制條件

50、改為： NPCmiii1第三章處理機調度與死鎖 3 3采用搶占式調度機制采用搶占式調度機制在含有硬實時任務的實時系統中，廣泛采用搶占機制。當一個優先權更高的任務到達時，允許將當前任務暫時掛起，而令高優先權任務立即投入運行，這樣便可滿足該硬實時任務對截止時間的要求。但這種調度機制比較復雜。對于一些小型實時系統，如果能預知任務的開始截止時間，則對實時任務的調度可采用非搶占調度機制，以簡化調度程序和對任務調度時所花費的系統開銷。但在設計這種調度機制時，應使所有的實時任務都比較小，并在執行完關鍵性程序和臨界區后，能及時地將自己阻塞起來，以便釋放出處理機，供調度程序去調度那種開始截止時間即將到達的任務。

51、 第三章處理機調度與死鎖 4 4具有快速切換機制具有快速切換機制為保證要求較高的硬實時任務能及時運行，在實時系統中還應具有快速切換機制，以保證能進行任務的快速切換。該機制應具有如下兩方面的能力：(1) 對外部中斷的快速響應能力。為使在緊迫的外部事件請求中斷時系統能及時響應，要求系統具有快速硬件中斷機構，還應使禁止中斷的時間間隔盡量短，以免耽誤時機(其它緊迫任務)。(2) 快速的任務分派能力。在完成任務調度后，便應進行任務切換。為了提高分派程序進行任務切換時的速度，應使系統中的每個運行功能單位適當地小，以減少任務切換的時間開銷。 第三章處理機調度與死鎖 3.4.23.4.2實時調度算法的分類實時

52、調度算法的分類1 1非搶占式調度算法非搶占式調度算法1) 非搶占式輪轉調度算法該算法常用于工業生產的群控系統中，由一臺計算機控制若干個相同的(或類似的)對象，為每一個被控對象建立一個實時任務，并將它們排成一個輪轉隊列。調度程序每次選擇隊列中的第一個任務投入運行。當該任務完成后，便把它掛在輪轉隊列的末尾，等待下次調度運行，而調度程序再選擇下一個(隊首)任務運行。這種調度算法可獲得數秒至數十秒的響應時間，可用于要求不太嚴格的實時控制系統中。 第三章處理機調度與死鎖 2) 非搶占式優先調度算法如果在實時系統中存在著要求較為嚴格(響應時間為數百毫秒)的任務，則可采用非搶占式優先調度算法為這些任務賦予較

53、高的優先級。當這些實時任務到達時，把它們安排在就緒隊列的隊首，等待當前任務自我終止或運行完成后才能被調度執行。這種調度算法在做了精心的處理后，有可能獲得僅為數秒至數百毫秒級的響應時間，因而可用于有一定要求的實時控制系統中。 第三章處理機調度與死鎖 2 2搶占式調度算法搶占式調度算法在要求較嚴格的(響應時間為數十毫秒以下)的實時系統中，應采用搶占式優先權調度算法?？筛鶕屨及l生時間的不同而進一步分成以下兩種調度算法。1) 基于時鐘中斷的搶占式優先權調度算法在某實時任務到達后，如果該任務的優先級高于當前任務的優先級，這時并不立即搶占當前任務的處理機，而是等到時鐘中斷到來時，調度程序才剝奪當前任務的

54、執行，將處理機分配給新到的高優先權任務。這種調度算法能獲得較好的響應效果，其調度延遲可降為幾十毫秒至幾毫秒。因此，此算法可用于大多數的實時系統中。 第三章處理機調度與死鎖 2) 立即搶占(Immediate Preemption)的優先權調度算法在這種調度策略中，要求操作系統具有快速響應外部事件中斷的能力。一旦出現外部中斷，只要當前任務未處于臨界區，便立即剝奪當前任務的執行，把處理機分配給請求中斷的緊迫任務。這種算法能獲得非?？斓捻憫砂颜{度延遲降低到幾毫秒至100微秒，甚至更低。圖3-8中的(a)、(b)、(c)、(d)分別示出了采用非搶占式輪轉調度算法、非搶占式優先權調度算法、基于時鐘中

55、斷搶占的優先權調度算法和立即搶占的優先權調度算法四種情況的調度時間。 第三章處理機調度與死鎖 圖3-8 實時進程調度 (a) 非搶占式輪轉調度當前進程實時進程實時進程請求調度實時進程搶占當前進程并立即執行(d) 立即搶占的優先權調度調度時間進程 1進程 2實時進程要求調度進程 n實時進程調度實時進程運行(b) 非搶占式優先權調度當前進程實時進程實時進程請求調度當前進程運行完成調度時間當前進程實時進程請求調度時鐘中斷到來時調度時間(c) 基于時鐘中斷搶占的優先權搶占調度調度時間實時進程第三章處理機調度與死鎖 3.4.33.4.3常用的幾種實時調度算法常用的幾種實時調度算法1 1最早截止時間優先即

56、最早截止時間優先即EDF(Earliest Deadline First)EDF(Earliest Deadline First)算法算法該算法是根據任務的開始截止時間來確定任務的優先級。截止時間愈早，其優先級愈高。該算法要求在系統中保持一個實時任務就緒隊列，該隊列按各任務截止時間的早晚排序；當然，具有最早截止時間的任務排在隊列的最前面。調度程序在選擇任務時，總是選擇就緒隊列中的第一個任務，為之分配處理機，使之投入運行。最早截止時間優先算法既可用于搶占式調度，也可用于非搶占式調度方式中。 第三章處理機調度與死鎖 1) 非搶占式調度方式用于非周期實時任務圖3-9示出了將該算法用于非搶占調度方式之

57、例。該例中具有四個非周期任務，它們先后到達。系統首先調度任務1執行，在任務1執行期間，任務2、3又先后到達。由于任務3的開始截止時間早于任務2，故系統在任務1后將調度任務3執行。在此期間又到達作業4，其開始截止時間仍是早于任務2的，故在任務3執行完后，系統又調度任務4執行，最后才調度任務2執行。 第三章處理機調度與死鎖 圖 3-9EDF算法用于非搶占調度的調度方式1342開始截止時間任務執行任務到達12 341342t第三章處理機調度與死鎖 2) 搶占式調度方式用于周期實時任務圖3-10示出了將最早截止時間優先算法用于搶占調度方式之例。在該例中有兩個周期性任務，任務A的周期時間為20 ms，每

58、個周期的處理時間為10 ms；任務B的周期時間為50 ms，每個周期的處理時間為25 ms。圖中的第一行示出了兩個任務的到達時間、最后期限和執行時間圖。其中任務A的到達時間為0、20、40、；任務A的最后期限為20、40、60、；任務B的到達時間為0、50、100、；任務B的最后期限為50、100、150、(注：單位皆為ms)。 第三章處理機調度與死鎖 圖3-10 最早截止時間優先算法用于搶占調度方式之例 A1 B1A2B1A3 B2 A4B2A5B1A2A3B2A5A1B1B1A2B1A3 B2 A4B2A5 B2A1A2B2A3A4A5B1最后期限B2最后期限A1最后期限A2最后期限A3最

59、后期限A4最后期限A5最后期限到達時間、執行時間和最后期限A1固定優先級調度固定優先級調度A2B1A3A4A5，B2A5，B2A4A1(錯過)A2B1A3(錯過)A1A2B1(錯過)A3A4A5，B201020304050 60708090100 時間t/ms使用完成最后期限最早和最后期限調度(A有較高優先級)(B有較高優先級)第三章處理機調度與死鎖 為了說明通常的優先級調度不能適用于實時系統，該圖特增加了第二和第三行。在第二行中假定任務A具有較高的優先級，所以在t=0 ms時，先調度A1執行，在A1完成后(t = 10 ms)才調度B1執行；在t = 20 ms時，調度A2執行；在t = 3

60、0 ms時，A2完成，又調度B1執行；在t = 40 ms時，調度A3執行；在t = 50 ms時，雖然A3已完成，但B1已錯過了它的最后期限，這說明了利用通常的優先級調度已經失敗。第三行與第二行類似，只是假定任務B具有較高的優先級。 第三章處理機調度與死鎖 第四行是采用最早截止時間優先算法的時間圖。在t = 0時，A1和B1同時到達，由于A1的截止時間比B1早，故調度A1執行；在t = 10時，A1完成，又調度B1執行；在t = 20時，A2到達，由于A2的截止時間比B2早，B1被中斷而調度A2執行；在t = 30時，A2完成，又重新調度B1執行；在t = 40時，A3又到達，但B1的截止時