第三章 处理机调度与死锁教案文档格式.docx

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⑶把处理器分配给进程。

2.进程调度中的三个基本机制

⑴排队器。

⑵分派器（分派程序）。

⑶上下文切换机制。

3.进程调度方式

1）非抢占方式（Non-preemptiveMode）

在采用非抢占调度方式时，可能引起进程调度的因素可归结为这样几个：

①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；

②执行中的进程因提出I/O请求而暂停执行；

③在进程通信或同步过程中执行了某种原语操作，如P操作（wait操作）、Block原语、Wakeup原语等。

这种调度方式的优点是实现简单、系统开销小，适用于大多数的批处理系统环境。

但它难以满足紧急任务的要求——立即执行，因而可能造成难以预料的后果。

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（PreemptiveMode）

抢占的原则有：

（1）优先权原则。

（2）短作业（进程）优先原则。

（3）时间片原则。

3.1.3.中级调度（Intermediate-LevelScheduling）

中级调度又称中程调度（Medium-TermScheduling）。

引入中级调度的主要目的，是为了提高内存利用率和系统吞吐量。

为此，应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，把此时的进程状态称为就绪驻外存状态或挂起状态。

当这些进程重又具备运行条件、且内存又稍有空闲时，由中级调度来决定把外存上的哪些又具备运行条件的就绪进程，重新调入内存，并修改其状态为就绪状态，挂在就绪队列上等待进程调度。

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

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

图3-2具有高、低两级调度的调度队列模型

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。

（1）就绪队列的形式。

（2）设置多个阻塞队列。

3.同时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。

2.面向系统的准则

（1）系统吞吐量高。

（2）处理机利用率好。

（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

图3-4FCFS和SJF调度算法的性能

2.短作业（进程）优先调度算法

短作业（进程）优先调度算法SJ（P）F，是指对短作业或短进程优先调度的算法。

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。

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。

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，如作业C的周转时间由10增至16，其带权周转时间由2增至3.1。

更严重的是，如果有一长作业（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。

（2）该算法完全未考虑作业的紧迫程度，因而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

1）非抢占式优先权算法

在这种方式下，系统一旦把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程后，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，系统方可再将处理机重新分配给另一优先权最高的进程。

这种调度算法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。

2）抢占式优先权调度算法

在这种方式下，系统同样是把处理机分配给优先权最高的进程，使之执行。

但在其执行期间，只要又出现了另一个其优先权更高的进程，进程调度程序就立即停止当前进程（原优先权最高的进程）的执行，重新将处理机分配给新到的优先权最高的进程。

因此，在采用这种调度算法时，是每当系统中出现一个新的就绪进程i时，就将其优先权Pi与正在执行的进程j的优先权Pj进行比较。

如果Pi≤Pj，原进程Pj便继续执行；

但如果是Pi＞Pj,则立即停止Pj的执行，做进程切换，使i进程投入执行。

显然，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，例如，0~7或0~255中的某一整数，又把该整数称为优先数。

只是具体用法各异：

有的系统用“0”表示最高优先权，当数值愈大时，其优先权愈低；

而有的系统恰恰相反。

确定进程优先权的依据有如下三个方面：

（1）进程类型。

（2）进程对资源的需求。

（3）用户要求。

2）动态优先权

动态优先权是指，在创建进程时所赋予的优先权，是可以随进程的推进或随其等待时间的增加而改变的，以便获得更好的调度性能。

例如，我们可以规定，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。

若所有的进程都具有相同的优先权初值，则显然是最先进入就绪队列的进程，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。

若所有的就绪进程具有各不相同的优先权初值，那么，对于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。

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。

3.3.3基于时间片的轮转调度算法

1.时间片轮转法

在早期的时间片轮转法中，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。

时间片的大小从几ms到几百ms。

当执行的时间片用完时，由一个计时器发出时钟中断请求，调度程序便据此信号来停止该进程的执行，并将它送往就绪队列的末尾；

然后，再把处理机分配给就绪队列中新的队首进程，同时也让它执行一个时间片。

这样就可以保证就绪队列中的所有进程，在一给定的时间内，均能获得一时间片的处理机执行时间。

2.多级反馈队列调度算法

（1）应设置多个就绪队列，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。

图3-5是多级反馈队列算法的示意。

图3-5多级反馈队列调度算法

（2）当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。

当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可准备撤离系统；

如果它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾，再同样地按FCFS原则等待调度执行；

如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成，再依次将它放入第三队列，……，如此下去，当一个长作业（进程）从第一队列依次降到第n队列后，在第n队列中便采取按时间片轮转的方式运行。

（3）仅当第一队列空闲时，调度程序才调度第二队列中的进程运行；

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。

如果处理机正在第i队列中为某进程服务时，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，即由调度程序把正在运行的进程放回到第i队列的末尾，把处理机分配给新到的高优先权进程。

3.多级反馈队列调度算法的性能

（1）终端型作业用户。

（2）短批处理作业用户。

（3）长批处理作业用户。

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

（1）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。

若处理机的处理能力不够强，则有可能因处理机忙不过来而使某些实时任务不能得到及时处理，从而导致发生难以预料的后果。

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：

系统才是可调度的。

假如系统中有6个硬实时任务，它们的周期时间都是50ms，而每次的处理时间为10ms，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：

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。

对于一些小的实时系统，如果能预知任务的开始截止时间，则对实时任务的调度可采用非抢占调度机制，以简化调度程序和对任务调度时所花费的系统开销。

但在设计这种调度机制时，应使所有的实时任务都比较小，并在执行完关键性程序和临界区后，能及时