第三章處理機(jī)調(diào)度與死鎖

§3.1處理機(jī)調(diào)度的層次

§3.2調(diào)度隊(duì)列模型和調(diào)度準(zhǔn)則

§

§3.4實(shí)時調(diào)度

§3.5產(chǎn)生死鎖的原因和義要條件

§3.6預(yù)防死鎖的方法

§3.7死鎖的檢測與解除

3.1處理機(jī)調(diào)度的層次

§3.1.1高級調(diào)度

§3.1.2低級調(diào)度

§3.1.3中級調(diào)度

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1.作業(yè)和作業(yè)步

§(1)作業(yè)(Job)。作業(yè)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(shù)據(jù)，而且還應(yīng)配有一份作業(yè)說明書，

系統(tǒng)根據(jù)該說明書來對程序的運(yùn)行進(jìn)行控制。在批處理系統(tǒng)

中，是以作業(yè)為基本單位從外存調(diào)入內(nèi)存的。

§(2)作業(yè)步(JobStep)。通常，在作業(yè)運(yùn)行期間，每個作業(yè)都

必須經(jīng)過若干個相對獨(dú)立，又相互關(guān)聯(lián)的順序加工步驟才能

得到結(jié)果，我們把其中的每一個加工步驟稱為一個作業(yè)步，

各作業(yè)步之間存在著相互聯(lián)系，往往是把上一個作業(yè)步的輸

出作為下一個作業(yè)步的輸入。例如，一個典型的作業(yè)可分成

三個作業(yè)步：

★①“編譯”作業(yè)步，通過執(zhí)行編譯程序?qū)υ闯绦蜻M(jìn)行編譯，產(chǎn)生若

干個目標(biāo)程序段；

★②“連結(jié)裝配”作業(yè)步，將“編譯”作業(yè)步所產(chǎn)生的若干個目標(biāo)程

序段裝配成可執(zhí)行的目標(biāo)程序；

★③“運(yùn)行”作業(yè)步，將可執(zhí)行的目標(biāo)程序讀入內(nèi)存并控制其運(yùn)行。

§(3)作業(yè)流。若干個作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)后，被依

次存放在外存上，這便形成了輸入的作業(yè)流；

在操作系統(tǒng)的控制下，逐個作業(yè)進(jìn)行處理，

于是便形成了處理作業(yè)流。

2.作業(yè)控制塊JCBUobControl

Block）

§為了管理和調(diào)度作業(yè)，在多道批處理系統(tǒng)中為每個

作業(yè)設(shè)置了一個作業(yè)控制塊，如同進(jìn)程控制塊是進(jìn)

程在系統(tǒng)中存在的標(biāo)志一樣，它是作業(yè)在系統(tǒng)中存

在的標(biāo)志，其中保存了系統(tǒng)對作業(yè)進(jìn)行管理和調(diào)度

所需的全部信息。

§在JCB中所包含的內(nèi)容因系統(tǒng)而異，通常應(yīng)包含的

內(nèi)容有：

★作業(yè)標(biāo)識、用戶名稱、用戶帳戶、

★作業(yè)類型（CPU繁忙型、I/O繁忙型、批量型、終端型）、

★作業(yè)狀態(tài)、調(diào)度信息（優(yōu)先級、作業(yè)已運(yùn)行時間）、

★資源需求（預(yù)計運(yùn)行時間、要求內(nèi)存大小、要求I/O設(shè)備的

類型和數(shù)量等）、

★進(jìn)入系統(tǒng)時間、開始處理時間、作業(yè)完成時間、作業(yè)退

出時間、資源使用情況等。

后備隊(duì)列

§每當(dāng)作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)時，系統(tǒng)便為每個作業(yè)建

立一個JCB,根據(jù)作業(yè)類型將它插入相應(yīng)的

后備隊(duì)列中。

§作業(yè)調(diào)度程序依據(jù)一定的調(diào)度算法來調(diào)度它

們，被調(diào)度到的作業(yè)將會裝入內(nèi)存。

§在作業(yè)運(yùn)行期間，系統(tǒng)就按照J(rèn)CB中的信息

對作業(yè)進(jìn)行控制。當(dāng)一個作業(yè)執(zhí)行結(jié)束進(jìn)入

完成狀態(tài)日寸，系統(tǒng)負(fù)責(zé)回收分配給它的資源,

撤消它的作業(yè)控制塊。

3.作業(yè)調(diào)度

§作業(yè)調(diào)度的主要功能是根據(jù)作業(yè)控制塊中的

信息，審查系統(tǒng)能否滿足用戶作業(yè)的資源需

求，以及按照一定的算法，從外存的后備隊(duì)

列中選取某些作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，笄為它們創(chuàng)建

號進(jìn)程、分配必要的資源。然后再將新創(chuàng)建的

”進(jìn)程插入就緒隊(duì)列，準(zhǔn)備執(zhí)行。

1§因此，有時也把作業(yè)調(diào)度稱為接納調(diào)度

(AdmissionScheduling)o

§對用戶而言，總希望自己作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間盡

可能的少，最好周轉(zhuǎn)時間就等于作業(yè)的執(zhí)行

時間。

§然而對系統(tǒng)來說，則希望作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時

間盡可能少，有利于提高CPU的利用率和系

統(tǒng)的吞吐量。為此，每個系統(tǒng)在選擇作業(yè)調(diào)

度算法時，既應(yīng)考慮用戶的要求，又能確保

系統(tǒng)具有較高的效率。在每次執(zhí)行作業(yè)調(diào)度

時，都須做出以下兩個決定：

★1）決定接納多少個作業(yè)

★2）決定接納哪些作業(yè)

1)決定接納多少個作業(yè)

§作業(yè)調(diào)度每次要接納多少個作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存，

取決于多道程序度(Degreeof

Multiprogramming),即允許多少個作業(yè)同時

在內(nèi)存中運(yùn)行。

§多道程序度的確定應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和運(yùn)行

速度等情況做適當(dāng)?shù)恼壑?/p>

★當(dāng)內(nèi)存中同時運(yùn)行的作業(yè)數(shù)目太多時，可能會影

響到系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，比如，使周轉(zhuǎn)時間太長。

但如果在內(nèi)存中同時運(yùn)行作業(yè)的數(shù)量太少時，又

會導(dǎo)致系統(tǒng)的資源利用率和系統(tǒng)吞吐量太俅。

2）決定接納哪些作業(yè)

§應(yīng)將哪些作業(yè)從外存調(diào)入內(nèi)存，這將取決于

所采用的調(diào)度算法。

★最箱單的是先來先服務(wù)調(diào)度算法，這是指將最早

進(jìn)入外存的作業(yè)最先調(diào)入內(nèi)存；

★較常用的一種算法是短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法，是將

外存上最短的作業(yè)最先調(diào)入內(nèi)存；

★另一種較常用的是基于作業(yè)優(yōu)先級的調(diào)度算法，

該算法是將夕卜存上優(yōu)先級最高的作業(yè)優(yōu)先調(diào)入內(nèi)

存；

★比較好的一種算法是“響應(yīng)比高者優(yōu)先”的調(diào)度

算法。

分時系統(tǒng)和實(shí)時系統(tǒng)的作業(yè)調(diào)度

問題

§在批處理系統(tǒng)中，作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)后，總是先

駐留在外存的后備隊(duì)列上，因此需要有作業(yè)

調(diào)度的過程，以便將它們分批地裝入內(nèi)存。

§然而在分時系統(tǒng)中，為了做到及時響應(yīng)，用

戶通過鍵盤輸入的命令或數(shù)據(jù)等都是被直接

送入內(nèi)存的，因而無需再配置上述的作業(yè)調(diào)

度機(jī)制，但也需要有某些限制性措施來限制

進(jìn)入系統(tǒng)的用戶數(shù)。即，如果系統(tǒng)尚未飽和,

將接納所有授權(quán)用戶，否則，將拒絕接納。

類似地，在實(shí)時系統(tǒng)中通常也不需要作業(yè)調(diào)

度。

3.1.2低級調(diào)度

§通常也把低級調(diào)度(LowLevelScheduling)稱

為進(jìn)程調(diào)度或短程調(diào)度(ShortTerm

Scheduling),它所調(diào)度的對象是進(jìn)程(或內(nèi)核

F1級多線道程批)處。理進(jìn)、程分調(diào)時度和是實(shí)最時基三本種的類一型種的調(diào)O度S，中在，

“都先須配置這級調(diào)度。

§1.俅級調(diào)度的功能

1§2.進(jìn)程調(diào)度中的三個基本機(jī)制

§3.進(jìn)程調(diào)度方式

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§應(yīng)當(dāng)指出，上下文切換將花去不少的處理機(jī)

時間，即使是現(xiàn)代計算機(jī)，每一次上下文切

換大約需要花費(fèi)幾毫秒的時間，該時間大約

可執(zhí)行上千條指令。

§為此，現(xiàn)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(jī)在系統(tǒng)態(tài)時使用,

★另一組寄存器供應(yīng)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(dāng)前寄存器組即可。

3.進(jìn)程調(diào)度方式

§1)非搶占方式(NonpreemptiveMode)

§2)搶占方式(PreemptiveMode)

1）非搶占方式［NomireeminNeMode

§在采用這種調(diào)度方式時，一旦把處理機(jī)分配給某進(jìn)

程后，不管它要運(yùn)行多長時間，都一直讓它運(yùn)行下

去，決不會因?yàn)闀r鐘中斷等原因而搶占正在運(yùn)行進(jìn)

程的處理機(jī)，也不允許其它進(jìn)程搶占已經(jīng)分配給它

的處理機(jī)。直至該進(jìn)程完成，自愿釋放處理機(jī)，或

發(fā)生某事件而被阻塞時，才再把處理機(jī)分配給其他

進(jìn)程。

§在采用非搶占調(diào)度方式時，可能引起進(jìn)程調(diào)度的因

素可歸結(jié)為如下幾個：

★（1）正在執(zhí)行的進(jìn)程執(zhí)行完畢，或因發(fā)生某事件而不能再

繼續(xù)執(zhí)行；

★（2）執(zhí)行中的進(jìn)程因提出I/O請求而暫停執(zhí)行；

★（3）在進(jìn)程通信或同步過程中執(zhí)行了某種原語操作，如P

操作（wa讓操作）、Block原語、Wakeup原語等。

§非搶占方式的優(yōu)點(diǎn)

★實(shí)現(xiàn)簡單，系統(tǒng)開銷小，適用于大多數(shù)的批處理

系統(tǒng)環(huán)境。

§非搶占方式的缺點(diǎn)

★難以滿足緊急任務(wù)的要求-----立即執(zhí)行，因而可

能造成難以預(yù)料的后果。

§顯然，在要求比較嚴(yán)格的實(shí)時系統(tǒng)中，不宜

采用這種調(diào)度方式。

2)搶占方式［PreemmiueMode)

§這種調(diào)度方式允許調(diào)度程序根據(jù)某種原則去

暫停某個正在執(zhí)行的進(jìn)程，將已分配給該進(jìn)

程的處理機(jī)重新分配給另一進(jìn)程。

§搶占方式的優(yōu)點(diǎn)是：

★可以防止一個長進(jìn)程長時間占用處理機(jī)，能為大

多數(shù)進(jìn)程提供更公平的服務(wù)，特別是能滿足對響

應(yīng)時間有著較嚴(yán)格要求的實(shí)時任務(wù)的需求。

§搶占方式的缺點(diǎn)：

★搶占方式比非搶占方式調(diào)度所需付出的開銷較大。

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3.13中級調(diào)度

§中級調(diào)度(IntermediateLevelScheduling)又稱中程

調(diào)度

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§引入中級調(diào)度的主要目的是為了提高內(nèi)存利用率和

系統(tǒng)吞吐量。為此，應(yīng)使那些暫時不能運(yùn)行的進(jìn)程

不再占用寶貴的內(nèi)存資源，而將它們調(diào)至外存上去

等待，把此時的進(jìn)程狀態(tài)稱為就緒駐外存狀態(tài)或掛

起狀態(tài)。當(dāng)這些進(jìn)程重又具備運(yùn)行條件且內(nèi)存又稍

有空閑日寸，由中級調(diào)度來決定把外存上的那些又具

備運(yùn)行條件的就緒進(jìn)程重新調(diào)入內(nèi)存，并修改其狀

態(tài)為就緒狀態(tài)，掛在就緒隊(duì)列上等待進(jìn)程調(diào)度。

§中級調(diào)度實(shí)際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(xì)闡述。

§在上述三種調(diào)度中，進(jìn)程調(diào)度的運(yùn)行頻率最高，在

分時系統(tǒng)中通常是1?！?00ms便進(jìn)行一次進(jìn)程調(diào)度,

因此把它稱為短程調(diào)度。為避免進(jìn)程調(diào)度占用太多

的CPU時間，進(jìn)程調(diào)度算法不宜太復(fù)雜。

§作業(yè)調(diào)度往往是發(fā)生在一個（批）作業(yè)運(yùn)行完畢，退

出系統(tǒng)，而需要重新調(diào)＞一個（批）作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存時，

故作業(yè)調(diào)度的周期較長，大約幾分鐘一次，因此把

它稱為長程調(diào)度。由于其運(yùn)行頻率較低，故允許作

業(yè)調(diào)度算法花費(fèi)較多的時間o

§中級調(diào)度的運(yùn)行頻率基本上介于上述兩種調(diào)度之間,

因此把它稱為中程調(diào)度。

3.2調(diào)度隊(duì)列模型和調(diào)度準(zhǔn)則

§3.2.1調(diào)度隊(duì)列模型

§322選擇調(diào)度方式和調(diào)度算法的若干準(zhǔn)則

321調(diào)度隊(duì)列模型

§1.僅有進(jìn)程調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型

§2.具有高級和俅級調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型

§3.同時具有三級調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型

1.僅有進(jìn)程調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型

§在分時系統(tǒng)中，通常僅設(shè)置了進(jìn)程調(diào)度，用

戶鍵入的命令和數(shù)據(jù)都直接送入內(nèi)存。對于

命令，是由OS為之建立一個進(jìn)程。

§系統(tǒng)可以把處于就緒狀態(tài)的進(jìn)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(diào)度算法有關(guān)。

§例如，在分時系統(tǒng)中，常把就緒進(jìn)程組織成

FIFO隊(duì)列形式。每當(dāng)OS創(chuàng)建一個新進(jìn)程時，

便將它掛在就緒隊(duì)列的末尾，然后按時間片

輪轉(zhuǎn)方式運(yùn)行。

§每個進(jìn)程在執(zhí)行時都可能出現(xiàn)以下三種情況：

★(1)任務(wù)在給定的時間片內(nèi)已經(jīng)完成，該進(jìn)程便在釋放處

理機(jī)后進(jìn)入完成狀態(tài);

★(2)任務(wù)在本次分得的時間片內(nèi)尚未完成，OS便將該任

務(wù)再放入就緒隊(duì)列的末尾；

★(3)在執(zhí)行期間，進(jìn)程因?yàn)槟呈录蛔枞?，被OS放

入阻塞隊(duì)列。

時間片完

圖3?1僅具有進(jìn)程調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型

11.具有高級和低級調(diào)度的調(diào)度隊(duì)

列模型

§在批處理系統(tǒng)中，不僅需要進(jìn)程調(diào)度，而且還需有作業(yè)調(diào)

度，由后者按一定的作業(yè)調(diào)度算法，從外存的后備隊(duì)列中

選擇一批作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并為它們建立進(jìn)程，送入就緒隊(duì)

列，然后才由進(jìn)程調(diào)度按照一定的進(jìn)程調(diào)度算法選擇一個

進(jìn)程，把處理機(jī)分配給該進(jìn)程。

作業(yè)時間片完

圖3-2具有高、低兩級調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型

該模型與上一模型的主要區(qū)別

§(1)就緒隊(duì)列的形式。在批處理系統(tǒng)中，最常用的是最高優(yōu)

先權(quán)優(yōu)先調(diào)度算法，相應(yīng)地，最常用的就緒隊(duì)列形式是優(yōu)先

權(quán)隊(duì)列。進(jìn)程在進(jìn)入優(yōu)先級隊(duì)列時，根據(jù)其優(yōu)先權(quán)的高低，

被插入具有相應(yīng)優(yōu)先權(quán)的位置上，這樣，調(diào)度程序總是把處

理機(jī)分配給就緒隊(duì)列中的隊(duì)首進(jìn)程。在最高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先的調(diào)

度算法中，也可采用無序鏈表方式，即每次把新到的進(jìn)程掛

在鏈尾，而調(diào)度程序每次調(diào)度時，是依次比較該鏈中各進(jìn)程

的優(yōu)先權(quán)，從中找出優(yōu)先權(quán)最高的進(jìn)程，將之從鏈中摘下，

并把處理機(jī)分配給它。顯然，無序鏈表方式與優(yōu)先權(quán)隊(duì)列相

比，這種方式的調(diào)度效率較低。

§(2)設(shè)置多個阻塞隊(duì)列。對于小型系統(tǒng)，可以只設(shè)置一個阻

塞隊(duì)列；但當(dāng)系統(tǒng)較大時，若仍只有一個阻塞隊(duì)列，其長度

必然會很長，隊(duì)列中的進(jìn)程數(shù)可以達(dá)到數(shù)百個，這將嚴(yán)重影

響對阻塞隊(duì)列操作的效率。故在大、中型系統(tǒng)中通常都設(shè)置

了若干個阻塞隊(duì)列，每個隊(duì)列對應(yīng)于某一種進(jìn)程阻塞事件。

3.同時具有三級調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列

模翅

§當(dāng)在OS中引入中級調(diào)度后，人們可把進(jìn)程的就緒

狀態(tài)分為:

★內(nèi)存就緒（表示進(jìn)程在內(nèi)存中就緒）

★外存就緒（進(jìn)程在外存中就緒）。

§類似地，也可把阻塞狀態(tài)進(jìn)一步分成

★內(nèi)存阻塞

★外存阻塞

§在調(diào)出操作的作用下，可使進(jìn)程狀態(tài)由內(nèi)存就緒轉(zhuǎn)

為外存就緒，由內(nèi)存阻塞轉(zhuǎn)為外存阻塞；在中級調(diào)

度的作用下，又可使外存就緒轉(zhuǎn)為內(nèi)存就緒。

作業(yè)調(diào)度時間片完

圖3-3具有三級調(diào)度時的調(diào)度隊(duì)列模型

3.2.2選擇調(diào)度方式和調(diào)度算法的

若干準(zhǔn)則

§1.面向用戶的準(zhǔn)則

§2.面向系統(tǒng)的準(zhǔn)則

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口】周轉(zhuǎn)時間短

§通常把周轉(zhuǎn)時間的長短作為評價批處理系統(tǒng)的性能、

選擇作業(yè)調(diào)度方式與算法的重要準(zhǔn)則之一。

§所渭周轉(zhuǎn)時間，是指從作業(yè)被提交給系統(tǒng)開始，到

作業(yè)完成為止的這段時間間隔（稱為作業(yè)周轉(zhuǎn)時間）o

它包括四部分時間：

★作業(yè)在外存后備隊(duì)列上等待（作業(yè)）調(diào)度的時間，

★進(jìn)程在就緒隊(duì)列上等待進(jìn)程調(diào)度的時間，

★進(jìn)程在CPU上執(zhí)行的時間,

★進(jìn)程等待I/O操作完成的時間o

§其中的后三項(xiàng)在一個作業(yè)的整個處理過程中可能會

發(fā)生多次。

平均周轉(zhuǎn)時間

§對每個用戶而言，都希望自己作業(yè)的周轉(zhuǎn)時

間最短。但作為計算機(jī)系統(tǒng)的管理者，則總

是希望能使平均周轉(zhuǎn)時間最短，這不僅會有

效地提高系統(tǒng)資源的利用率，而且還可使大

多數(shù)用戶都感到滿意。

§可把平均周轉(zhuǎn)時間描述為：

1n

ni=\

帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間

§作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間T與系統(tǒng)為它提供服務(wù)的時

間Ts之比，即W=T/Ts,稱為帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間,

而平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間則可表示為：

1

W=—

n

型帆G常甘

叵。

曲用—令乜《

顯米趺叵曲

乜.意中

黑

侏R味

談一空船

K

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也股黎悸