學習筆記之湯小丹《計算機作業系統第四版》----第三章 處理機排程與死鎖
阿新 • • 發佈：2018-12-15
- 處理機排程的層次：
- 高階排程（作業排程、長程排程）：排程物件為作業（還不是程序），為它們建立程序，分配必要的資源，並將它們放入就緒佇列（從外存 --->記憶體）
- 低階排程（程序排程、短程排程）：決定就緒佇列中的哪個程序應獲得處理機
- 中級排程（記憶體排程）：提高記憶體利用率和系統吞吐量，把暫時不能執行的程序（掛起狀態）調至外存等待
- 處理機排程演算法的共同目標：
- 公平性：使各程序都獲得合理的CPU時間（不是相同的，根據緊急程度或重要性來提供不同的CPU時間）
- 平衡性：由於系統中可能具有多種型別的程序，應保持系統資源使用的平衡性
- 策略強制執行
- 批處理系統的目標：
- 平均週轉時間短。週轉時間：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。包括：作業在外存後備佇列上等待作業排程的時間、程序在就緒佇列上等待程序排程的時間、程序在CPU上執行的時間以及程序等待I/O操作完成的時間 平均週轉時間：
平均帶權週轉時間：
Ti:作業的週轉時間，Ts:系統為它提供服務的時間 - 系統吞吐量高。吞吐量：單位時間內系統所完成的作業數
- 處理機利用率高
- 分時系統的目標：
- 響應速度快。響應時間：從使用者通過鍵盤提交一個請求開始，直到螢幕上顯示出處理結果為止的一段時間間隔
- 均衡性：系統響應時間的快慢應與使用者所請求的服務的複雜性相適應
- 實時系統的目標：
- 截止時間的保證。截止時間：某任務必須開始執行的最遲時間或必須完成的最遲時間
- 可預測性
- 作業：程式 + 資料 + 作業說明書（系統根據它對程式的執行進行控制）
- 作業步
- 作業控制塊JCB：類似於PCB
- 作業執行的三個階段和三個狀態：
- 收容階段 ----> 後備狀態
- 執行階段 ----> 執行狀態
- 完成階段 ----> 完成狀態
- 作業排程的主要任務：
- 接納多少個作業。取決於多道程式度，即允許多少個作業同時在記憶體中執行
- 接納哪些作業：由FCFS,SJF,PSA,HRRN等演算法決定
- 在分時系統中，為了做到及時響應，使用者輸入的命令或資料都被直接送入記憶體，因而無須配置作業排程機制。但需有接納控制措施（限制進入系統作業的數目）
- 先來先服務演算法（FCFS）：現在一般是在系統中按程序的優先順序設定多個佇列，每個優先順序一個佇列，每一個佇列的排程都基於FCFS演算法
- 短作業優先演算法（SJF）：根據估計作業執行時間來衡量作業的長短
- SJF的缺點：
- 必須預知作業的執行時間
- 對長作業非常不利，完全忽視作業的等待時間，可能出現飢餓現象
- 人-機無法互動？？？
- 未考慮作業的緊迫程度
- 優先順序排程演算法PSA（priority-scheduling algorithm）：基於作業的緊迫程度，由外部賦予作業的相應的優先順序
- 高響應比優先排程演算法HRRN（Highest Response Ratio Next）：引入動態優先順序。
以上優先權及相應比，響應時間 = 週轉時間 = 等待時間 + 要求服務時間 - HRRN的缺點：每次進行排程之前，都需要先做響應比的計算，會增加系統開銷
- 程序排程的任務：
- 儲存處理機的現場資訊
- 按某種演算法選取程序
- 把處理器分配給程序
- 程序排程機制包括：
- 排隊器：排隊器把轉變為就緒狀態的程序插入到就緒佇列（若未滿的話）
- 分派器
- 上下文切換器
- 程序排程方式：
- 非搶佔方式：一旦把處理機分配給某個程序後，就一直讓它執行下去，直至該程序完成或發生某事件而被阻塞
- 搶佔方式：允許排程程式根據某種原則，去暫停某個正在執行的程序
- 搶佔的原則：
- 優先權原則
- 短程序優先原則
- 時間片原則
- 輪轉排程演算法：最基本和最常用的 基於時間片的輪轉（RR），引入計時器，常用於分時系統
- 輪轉演算法的基本原理
- 輪轉演算法中程序切換時間：程序完成；時間片用完
- 時間片大小的確定：略大於 一次典型的互動所需的時間
- 優先順序排程演算法的型別：
- 非搶佔式優先順序排程演算法
- 搶佔式優先順序排程演算法
- 優先順序的型別：
- 靜態優先順序
- 動態優先順序（類似於之前的HRRN引入的優先權）
- 多級反饋佇列排程演算法的排程機制：
- 設定多個就緒佇列 。第一個佇列優先順序最高 ；優先順序越高的佇列，其時間片越小
- 每個佇列都採用FCFS演算法。當新程序進入記憶體後，首先將它放入第一佇列的末尾，按FCFS等待排程。當輪到該程序執行時，如 它能在該時間片內完成，則將其撤離系統；否則，將它轉入下一佇列末尾；迴圈，直到進入最後一個佇列，採用RR演算法
- 按佇列優先順序排程。僅當第1~i - 1的所有佇列均空時，才會排程第i佇列的程序執行。如果處理機正在處理第i佇列中為某程序服務時又有新程序進入任一優先順序較高的佇列，此時須立即把正在執行的程序放回第i佇列的末尾，而把處理機分配給新到的高優先順序程序
- 基於公平原則排程演算法：
- 保證排程演算法（立足於實際執行了的處理機時間與應獲得的處理機時間）
- 公平公享排程演算法（立足於對使用者公平，而不是對程序公平）
- 可重用性資源和可消耗性資源（比如用於程序間通訊的訊息）
- 可搶佔性資源和不可搶佔性資源
- 計算機系統中引起死鎖的原因：
- 競爭不可搶佔性資源引起死鎖
- 競爭可消耗資源引起死鎖
- 程式推進順序不當引起死鎖
- 產生死鎖的必要條件：
- 互斥條件（資源）
- 請求和保持條件（程序 + 資源）
- 不可搶佔條件（資源）
- 迴圈等待條件（程序 + 資源）
- 處理死鎖的方法：
- 預防死鎖
- 避免死鎖：在資源的動態分配過程中，用某種方法防止系統進入不安全狀態
- 檢測死鎖
- 解除死鎖：常用的方法是撤銷一些程序，回收資源 以上四點，對死鎖的防範程度逐漸減弱，對資源的利用率提高，程序因資源因素而阻塞的頻度逐漸下降，併發程度逐漸提高
- 互斥條件是非共享裝置所必須的，不僅不能改變，還應加以保證
- 通過破壞“請求和保持”條件預防死鎖：
- 第一種協議：程序一次性申請並被分配其所需的所有資源 缺點：資源被嚴重浪費；程序會發生飢餓現象
- 第二種協議：允許一個程序只獲得執行初期所需的資源後便開始執行。程序執行過程中再逐步釋放已分配給自己的且已用完的資源，然後再請求新的所需資源
- 通過破壞“不可搶佔”條件預防死鎖：通過釋放自己（提出新資源請求的程序）所擁有的全部資源
- 通過破壞“迴圈等待條件”：對系統所有資源型別進行線性排序，並賦予不同的序號，每個程序必須按序號遞增的順序請求資源 缺點：
- 為資源規定的序號必須相對穩定，這限制了新型別裝置的增加
- 可能造成資源的浪費
- 使用者程式設計複雜
- 在避免死鎖的方法中，把系統的狀態分為安全狀態和不安全狀態
- 安全狀態：系統能按某種程序推進順序（P1,P2,...,Pn）為每個程序Pi分配其所需所有資源（為當前程序分配資源時，前一程序已結束，擁有的資源已被釋放），直至滿足每個程序對資源的最大需求
- 如果無法找到這樣一個序列，系統則處於不安全狀態
- 利用銀行家演算法避免死鎖（假設該資源請求可以分配---->檢驗資源分配後是否是安全狀態，如果是不安全狀態，則不予以分配）；Java實現
- 資源分配圖
P1獲得2個單位的R1資源，P1請求1個單位的R2資源 - 常用解除死鎖的方法：
- 搶佔資源
- 終止程序
- 頁面置換演算法：
- 最近最久未使用演算法（LRU）：基於時間先後，棧
- 最少使用演算法（LFU）：基於一個時間段的使用次數