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
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