第三章、处理机调度与死锁

    在多道程序环境下，内存中存在着多个进程，其数目往往多于处理机数目，这就要求系统能按照某种算法，动态的将处理机分配给处于就绪状态的一个进程，使之执行。分配处理机的任务是由处理机调度程序完成的。提高处理机的利用率、改善系统性能，很大程度上取决于处理机调度的性能。本章就处理机调度算法及死锁问题展开。

一．处理机调度相关基本概念

二．常用调度算法

三．实时调度

四．产生死锁的原因和必要条件

五．预防死锁的方法

六．死锁的检测与解除

一、处理机调度的基本概念

作业进入系统驻留在外存的后备队列上，再至调入内存运行完毕，可能要经历下述三级调度。

•高级调度（High Scheduling）

又称作业调度或长程调度,接纳调度

主要在早期批处理阶段，处理在外存上的作业。

决定外存后备队列中的哪些作业调入内存;

为它们创建进程、分配必要的资源;

将新创建的进程排在就绪队列上，准备执行。

注意：系统运行并不一定存在高级调度

批处理系统：作业进入系统后先驻留外存，故需要有作业调度。

分时系统：为及时响应，作业由终端直接送入内存，故不需作业调度。

实时系统中，通常也不需作业调度。

•低级调度（Low Level Scheduling）

也称为进程调度、微观调度或短程调度（Short-Term Scheduling）

决定内存就绪队列中的哪个进程获得处理机，进行分配工作。是最基本的一种调度，在三种基本OS中都有。

 进程调度方式

（1）非抢占方式（Non-preemptiveMode）

  一旦处理机分配给某进程，该进程一直执行。决不允许其他进程抢占已分配运行进程的处理机。

（2）抢占方式（PreemptiveMode）

  允许调度程序根据某种原则，暂停某个正在执行的进程，将处理机重新分配给另一进程。

•中级调度（Intermediate-Level Scheduling）

又称交换调度或中程调度（Medium-Term Scheduling）

引入目的：提高内存利用率和系统吞吐量。根据条件将一些进程调出或再调入内存。

三种调度的频率和复杂度

进程调度：运行频率最高，算法不能太复杂，以免占用太多的CPU时间。分时系统通常10~100ms便进行一次。

作业调度：一个作业运行完毕退出系统时即触发重新调度一个新作业入内存，周期较长，大约几分钟一次。因而也允许作业调度算法花费较多的时间。

中级调度：运行频率基本上介于上述两种调度之间。

二．常用调度算法

调度的实质就是一种资源分配。不同的系统和系统目标，通常采用不同的调度算法——适合自己的才是最好的。

1、先来先服务调度算法FCFS

一种最简单的调度算法，按先后顺序进行调度。既可用于作业调度，也可用于进程调度。

按照作业提交，或进程变为就绪状态的先后次序分派CPU；

新作业只有当当前作业或进程执行完或阻塞才获得CPU运行

被唤醒的作业或进程不立即恢复执行，通常等到当前作业或进程出让CPU。（所以，默认即是非抢占方式）

不利于短作业

2. 短作业（进程）优先调度算法SJF/SPF

以作业长短来计算优先级，作业越短其优先级越高。

通过上表可见采用SJF/SPF算法，平均周转时间、平均带权周转时间都有明显改善。

SJF/SPF调度算法能有效的降低作业的平均等待时间，提高系统吞吐量。

SJF/SPF的不足：

  1. 对短作业有利，但同时造成了对长作业的不利。

  2.由于作业（进程）的长短含主观因素，不一定能真正做到短作业优先。

  3.未考虑作业的紧迫程度，因而不能保证紧迫性作业（进程）的及时处理。

3. 高优先权优先调度算法HPF

照顾紧迫性作业，使其获得优先处理而引入调度算法。常用于批处理系统中的作业调度算法，以及多种操作系统中的进程调度算法

分两种方式：

非抢占式优先权算法

抢占式优先权算法 关键点：新作业产生时

优先权的类型

静态优先权：创建进程时确定，整个运行期间保持不变。一般利用某一范围的一个整数来表示，又称为优先数。

动态优先权：创建进程时赋予的优先权可随进程的推进或随其等待时间的增加而改变。

v关于进程优先权的确定？依据如下：

1)进程类型：一般来，系统进程高于用户进程。

2)进程对资源的需求：如进程的估计时间及内存需要量的多少，对要求少的进程赋予较高优先权。

3)用户要求：由用户进程的紧迫程度及用户所付费用的多少来确定优先权的。

4.高响应比优先调度算法HRRNHighes Response Raito Next

短作业优先算法是一种比较好的算法（相当于根据作业长度设定的静态优先权算法），适用于短作业较多的批处理系统中，其主要不足是长作业的运行得不到保证。

HRRN为每个作业引入动态优先权，使作业的优先级随着等待时间的增加而以速率a提高：

优先权 =（等待时间+要求服务时间)/要求服务时间 = 响应时间 / 要求服务时间

1.同时到达的作业优先权相同。

初始t=0，随着时间增长，如果等待时间 t

相同，执行时间愈短的优先权愈高，利于短作业。

对于长作业，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也可获得处理机。长作业有照顾。

2.当执行时间相同的作业，优先权的高低决定于其等待时间的长短，也就是先来先服务。

3. 基于时间片的轮转调度算法RR

分时系统新需求：及时响应用户的请求；采用基于时间片的轮转式进程调度算法。

早期分时系统采用的是简单的时间片轮转法，进入90年代后广泛采用多级反馈队列调度算法。

下面分开介绍这两种方法并比较性能。

（1）时间片轮转算法

1.将系统中所有的就绪进程按照FCFS原则，排成一个队列。

2.每次调度时将CPU分派给队首进程，让其执行一个时间片。时间片的长度从几个ms到几百ms。

3.在一个时间片结束时，发生时钟中断。

4.调度程序据此暂停当前进程的执行，将其送到就绪队列的末尾，并通过上下文切换执行当前就绪的队首进程。

进程阻塞情况发生时，未用完时间片也要出让CPU

多级反馈队列算法FB

特点：多个就绪队列，循环反馈动态优先级、时间片轮转

设置多个就绪队列，各队列有不同的优先级,优先级从第一个队列依次降低。

赋予各队列进程执行时间片大小不同, 优先权越高，时间片越短。

3）当一个新进程进入内存，引发的调度过程

1.准备调度：先将它放入第一个队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。

2.IF时间片内完成，便可准备撤离系统；

3.IF时间片内未能完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾等待再次被调度执行。

4.当第一队列中的进程都执行完，系统再按FCFS原则调度第二队列。在第二队列的稍放长些的时间片内仍未完成，再依次将它放入第三队列。

5.依次降到第n队列后，在第n队列中便采取按时间片轮转的方式运行。

多级反馈队列调度算法的性能 

多级反馈队列调度算法具有较好的性能，能较好的满足各种类型用户的需要。

终端型作业用户。大多属于较小的交互性作业，只要能使作业在第一队列的时间片内完成，便可令用户满意。

短批处理作业用户。周转时间仍然较短，至多在第二到三队列即可完成。

长批处理作业用户。将依次在1~n级队列中轮转执行，不必担心作业长期得不到处理。

 三、实时调度

实时系统

1.指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务。

2.指计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正确性，也取决于结果产生的时间，如果系统的时间约束条件得不到满足，将会发生系统出错

1. 实现实时调度的基本条件

提供必要的信息

 为了实现实时调度，系统应向调度程序提供有关任务的下述信息：

v就绪时间。该任务成为就绪状态的时间。

v开始截止时间、完成截止时间。

v处理时间。从开始执行到完成所需时间。

v资源要求。任务执行时所需的一组资源。

v优先级。根据任务性质赋予不同优先级。

2.系统处理能力足够强

处理能力不足可能会出现某些实时任务不能得到及时处理，导致难以预料的后果。

如： 系统中有M个周期性的硬实时任务，处理时间为Ci，周期时间表示为Pi,

单机系统中必须满足条件   ∑( Ci/Pi )≤1

3.采用抢占式调度机制

v硬实时任务：广泛采用抢占机制。

v小的实时系统：如能预知任务的开始截止时间，为简化调度程序和对任务调度时所花费的系统开销，可采用非抢占调度机制

4.具有快速切换机制

1.对外部中断的快速响应能力。

v利用快速硬件中断机构，可在紧迫的外部事件请求中及时响应。

2.快速的任务分派能力。

v使系统中的运行功能单位适当的小，提高切换速度。类如线程的思想

1）非抢占调度算法

     该算法较简单，用于一些小型实时系统或要求不太严格的实时系统中，又可分为：

1.非抢占式轮转调度算法。常用于工业生产的群控系统中，要求不太严格。

2.非抢占式优先调度算法。要求相对严格，根据任务的优先级安排等待位置。可用于有一定要求的实时控制系统中。（精心设置可获得百ms级的响应时间）

2）抢占式调度算法

      较严格的实时系统中（t约为数十ms），选择采用抢占式优先权调度算法。根据抢占发生时间可分为：

1.基于时钟：某高优先级任务到达后并不立即抢占，而等下一个时钟中断时抢占。

2.立即抢占：一旦出现外部中断，只要当前任务未处于临界区，就立即抢占处理机。

3. 常用的几种实时调度算法

 目前有许多实时调度算法，在常用的算法中简单介绍两种实时调度算法：

最早截止时间优先EDF（Earliest DeadlineFirst）算法

v最低松弛度优先LLF（Least Laxity First）算法

1）最早截止时间优先EDF

v根据任务的开始截止时间来确定任务的优先级。截止时间越早，其优先级越高。

�系统保持一个实时任务就绪队列

�队列按各任务截止时间的早晚排序

�调度程序总是选择就绪队列中的第一个任务，分配处理机使之投入运行。

v新任务产生时，是否等当前程序执行完：

�抢占式/非抢占式

v可能会使作业错过，但可适用于软实时系统

2）最低松弛度优先LLF

  根据任务紧急（或松弛）的程度，来确定任务的优先级。任务的紧急程度越高（松弛度值越小），优先级就越高。

v松弛度=截止完成时间 – 还需执行时间 - 当前时间

 可理解为当前时刻到开始截止时刻间的差距，随着时间的推进，这个差值逐渐变小，任务越来越紧迫。

任务A，截止完成时间=200ms，运行=100ms；

任务B，截止完成时间= 400ms，运行=150ms，

当前t=0时刻，两者的松弛度分别为A松弛度=200-100ms；  B松弛度=250ms。

LLF算法主要用于抢占调度方式中。

进程切换发生的时机

进程执行完

进程I/O阻塞

新进程出现时可能的抢占

某进程松弛度为0时发生抢占

有的时刻，其他并发的实时任务下一周期未到来，会出现只有一个任务的情况。