1 / 52

软件技术基础

段景山. 软件技术基础. 处理机管理. 进程的调度. 制作 主讲. 段景山. 处理机管理. 处理机的管理功能分为： 进程的描述 进程的控制 进程的同步 进程的通信 进程的调度. 第二篇 操作系统. 第四章 进程的调度. 进程调度的模型. 进程调度的算法. 死锁及解决. 进程调度引言. 引言 处理机调度的主要目的：分配处理机 调度影响的因素： 响应的及时性 进程是否能在限定时间内获得处理机，对用户进行响应 周转时间（等待时间 + 使用 CPU 时间） 进程是否等待时间太长 系统吞吐量（进程时间 + 系统开销） CPU 是否总是用在刀刃上.

mohawk
Download Presentation

软件技术基础

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 段景山 软件技术基础 处理机管理 进程的调度 制作 主讲 段景山

  2. 处理机管理 • 处理机的管理功能分为： • 进程的描述 • 进程的控制 • 进程的同步 • 进程的通信 • 进程的调度

  3. 第二篇 操作系统 第四章 进程的调度 进程调度的模型 进程调度的算法 死锁及解决

  4. 进程调度引言 • 引言 • 处理机调度的主要目的：分配处理机 • 调度影响的因素： • 响应的及时性 • 进程是否能在限定时间内获得处理机，对用户进行响应 • 周转时间（等待时间+使用CPU时间） • 进程是否等待时间太长 • 系统吞吐量（进程时间+系统开销） • CPU是否总是用在刀刃上

  5. 调度类型 • 4.1调度的类型与模型 • 4.1.1调度类型 • 从调度层次： • 高级调度 • 低级调度 • 中级调度 • 从OS类型： • 批处理、分时、实时、多处理机调度

  6. 作业调度 • （1）高级调度－－作业调度 • 对象： • 外存上后备队列中的作业 • 动作： • 调入内存、创建进程、分配资源、新进程进入就绪队列 • 决策内容： • 接纳作业量、作业类型 作业成批进入 内存 CPU 输入井 输出井 其它 高级调度

  7. 进程调度 • （2）低级调度－－进程调度 • 对象： • 就绪队列中的进程 • 动作： • 决定由哪个进程获得CPU • 调度方式： • 非抢占式 • 抢占式 低级调度 进程并发执行 作业成批进入 内存 CPU 输入井 输出井 其它 高级调度

  8. 进程调度过程 • 进程调度对象：就绪队列中的进程 • 进程调度功能及过程 • 纪录当前进程的状态、保存CPU现场 • 选取适当的就绪进程 • 进程调度算法 • 分配处理机：恢复选取进程的现场 交互用户 2 3 1 CPU 就绪队列 进程调度

  9. 进程调度方式 • 进程调度的方式 • 非抢占式（非剥夺式） • 现运行进程的CPU使用权不能被中途强行剥夺 • 除非进程主动放弃 • 抢占式（剥夺式） • 系统按照某种原则剥夺现行进程的CPU使用权 • 将CPU使用权分配给其他进程 • 抢占原则 • 优先权原则 • 时间片原则 • 短进程优先原则

  10. 中级调度 • （3）中级调度 • 对象： • 外存中因暂时不能运行而被挂起的进程 • 动作： • 将外存挂起的进程激活，调入内存，进入就绪队列 • 目的： • 提高内存利用率

  11. 单级调度队列模型 • 4.1.2调度队列模型 时间片完/被中断 交互用户 结束 CPU 就绪队列 进程调度 阻塞 唤醒 进程调度是最基本的调度， 必须配置 阻塞队列 1)单级调度模型

  12. 后备队列 二级调度队列模型 • 2）二级调度模型 时间片完 CPU 就绪队列 进程调度 作业调度 在批处理或类似系统中 需要从外存后备队列中调入作业 阻塞 唤醒 阻塞队列

  13. 后备队列 3）三级调度模型 作业调度 进程调度 时间片完 CPU 就绪队列 挂起 中级 调度 外存就绪队列 事件出现 阻塞 唤醒 配置中级 调度机制 可以提高 内存利用率 外存阻塞队列 挂起 阻塞队列

  14. 进程调度原因 • 4.1.3进程调度原因（调度时刻） 时间片完 /被中断 交互用户 结束 CPU 就绪队列 现进程运行完毕 进程调度 现进程阻塞 阻塞 唤醒 现进程“超时” 优先权高的进程进入就绪队列 阻塞队列

  15. 进程调度算法准则 • 4.2调度算法 • 从多个目标（就绪进程）中选取一个 • 算法准则 周转时间 短 响应时间 快 面向用户 截止时间 保证 优先权 可设置 系统吞吐量 大 面向系统 处理机利用率 高 平衡 各类资源的利用

  16. 进程调度算法类型 • 算法类型 先来先服务算法 简单的调度算法 短进程优先 等时间片轮转 轮转法 不等时间片轮转 抢占式优先权 非抢占式优先权 优先权法 静态优先权 动态优先权 多级反馈队列算法

  17. FCFS • 1）先来先服务算法FCFS • 按照就绪进程进入就绪队列的先后次序进行调度 • 简单易实现 • 利于长进程，CPU繁忙型作业 • 不利于短进程 • 排队时间相对过长 2 3 1 CPU 就绪队列

  18. t ＝ ＋ ） n （1 － Ʈ Ʈ n n+1 SCBF • 2）短进程优先算法 • 对系统服务时间需求短的进程优先被调度 • 短进程估算： • 依赖于前一周期的实际CPU时间和估计时间 • 系统性能改善，平均带权周转时间优于FCFS • 不利于长作业，当不断有短进程到达时，不保证长进程响应的及时性，甚至可能得不到调度 其中Ʈ n为估计的第n个CPU 周期。tn为实际值。 为控制值，0≤ ≤1，常取0.5

  19. 调度算法评价指标 • 响应时间RT（Response Time） • 从提交一个请求开始到计算作出响应，显示结果在屏幕上 • 典型如分时系统，从用户敲键到字符显示在用户终端屏幕上 RT ＝q × N q：时间片大小

  20. 调度算法评价指标 周转时间（Trunaround Time） 进程第一次进入就绪队列到进程运行结束的时间间隔 TT ＝ 等待时间(WT) ＋ 服务时间(ST) 例 平均周转时间（ATT） 系统各进程周转时间的平均值 ATT ＝ ΣTT / N 带权周转时间（QTT） 进程周转时间与系统服务时间的比值 QTT = TT / 服务时间 平均带权周转时间（AQTT） AQTT = ΣQTT / N

  21. 调度算法比较例 • 例：A请求系统服务时间5s，B请求系统服务时间为100s， • 设第0到第5秒前，CPU运行C进程。 • 第1秒时B进入系统内存，第2秒时A进入内存 • 当CPU空闲，需要调度进程时根据不同的算法选择A或B • 问：分别计算FCFS算法下和SCBF算法下，A和B的周转时间，带权周转时间和系统平均周转时间 B A

  22. 调度算法比较例 • FCFS算法－－先来先服务 • A：周转时间为 3+100+5＝108s • 带权周转时间为108/5 ＝ 20.4 • B：周转时间为 4＋100＝104s • 带权周转时间为104/100 ＝ 1.04 • 平均带权周转时间为(20.4 +1.04)÷2 ＝10.72 • SCBF算法－－短进程优先 • A：周转时间为 3+5＝9s • 带权周转时间为8/5 ＝ 1.6 • B：周转时间为 4+5+100＝109s • 带权周转时间为109/100 ＝ 1.09 • 平均带权周转时间为(1.6+1.09)÷2 ＝1.345 调度顺序 先调度B 后调度A 调度顺序 先调度A 后调度B

  23. RR等时间片 • 3）等时间片轮转 • 保证人机交互的及时性 • （1）按照FCFS顺序从就绪队列选取进程 • （2）每个进程分配给相同的CPU时间片 • （3）时间片到后将进程排到就绪队列尾 • 公平性的保证 • 响应及时性的保证

  24. RR时间片 • 时间片q的选择 q：时间片大小 q T = N × T：响应时间 N：就绪队列进程数 T q = N 当N一定时： q与T成正比。 q不能太大 保证响应时间 q不能太小 当T一定时： q与N成反比 减少开销

  25. RR不等时间片 • 4）不等时间片轮转法 • 短时间片满足快速响应的需要 • 长时间片使周转时间降低 • 在保证及时响应的基础上，为不同的需求分配大小不等的时间片－－降低周转时间 长进程 课 堂 练 习 长时间片 短进程 短时间片 I/O频繁型 CPU密集型 引入“前台”、“后台” 提高系统资源利用率

  26. 前、后台调度 • “前台”、“后台”进程调度 • 进程分为前台和后台两种。 • 前台：频繁和用户交互的进程，要求及时响应。如，支持界面的进程。 • 后台：需要大量时间运行，与用户交互较少的进程。如，查病毒进程。可见Windows系统右下角的驻留进程。 • 只要前台就绪队列里有进程，就不会调度后台进程。 • 前台进程按时间片轮转，后台进程按FCFS调度（也可按时间片轮转）

  27. 前、后台调度 • “前台”、“后台”进程调度 • 前台进程主要与用户交互，除了及时响应外，大量的时间都在等待用户的输入或向用户输出 • 后台进程可利用前台进程交互的间隙执行运算 • 这样，即不会因为执行繁重计算工作的进程影响了界面的及时响应，又不会因为频繁与用户交互而使系统无法完成负荷重的工作。

  28. HPF • 5）最高优先权调度算法（HPF） • 保证实时性。（事件响应的及时性） • （1）为每个进程设置优先级 • （2）调度时选取优先级最高的进程，相同优先级的进程按照FCFS选取 • 抢占式调度： • 高优先权的进程进入就绪队列时引起调度 • 非抢占式调度： • 高优先权的进程进入就绪队列仅引起队列重排

  29. HPF • 优先级与优先数 易混淆的概念 • 优先级：高、低 • 优先数：大、小 • 在某些系统中：优先机高的，优先数反而小。

  30. HPF静态优先权 • 静态优先权 • 进程的优先权在进程创建时设定，以后不会改变 • 优先权设定的一般依据： • （1）进程类型 • （2）进程对资源的需求 • （3）根据用户的需求 优先级设定后可能造成低优先权的进程得不到运行的机会 当不断有高优先进程进入就绪队列时

  31. HPF动态优先权 • 动态优先权 • 进程的优先权在系统周转过程中动态改变 就绪等待进程优先级随等待时间以速率升高 执行进程的优先级以速率下降 等待时间 要求服务时间 + 优先权 = 要求服务时间 等待时间一定：优先权与要求服务时间成反比 短进程优先 要求服务时间一定：优先权与等待时间成正比 优先权低的进程也能有运行的机会

  32. 多级反馈队列 • 6）多级反馈队列调度 • 综合各种算法长处 • 设计思想 • 设置多个就绪队列 • 各队列优先级不一样， • 分配的时间片也不一样，高优先权队列进程的时间片较小 • 调度算法 （见后）

  33. 多级反馈队列算法 （1）在选取进程时，选取高优先权队列里的进程。—— 分配给相应的时间片。同一队列按照FCFS—— 短时间片 优先级调度 时间片轮转 （2）进程使用完时间片后，回到就绪态是则进入低一级优先权队列—— 长时间片 动态优先权、不等时间片 （3）当高优先权队列里没有进程时，才调度低优先权队列进程 （4）进程创建后进入最高优先权队列

  34. 多级反馈队列性能 • 多级反馈队列的性能 • （1）短进程 • 在第一级队列的时间片中完成， • 满足及时响应和短进程的周转要求 • （2）动态变化的优先权 • 使优先权低的进程也得到执行的机会 • （3）动态变化的时间片 • 长进程在长时间等待后获得长时间片，可减少周转时间和系统开销

  35. 死锁 • 4.3死锁问题（dead lock） • 例： 进程1 进程2 ...... ...... s1 P( s2 ) P( s1 ) P( s1 ) P( s2 ) 临界区 临界区 s2 V( s1 ) V( s2 ) 死锁 V( s2 ) V( s1 ) ...... ...... 状态： 状态： 就绪 执行 阻塞 就绪 执行 阻塞

  36. 死锁 • 死锁 • 当两个或两个以上进程因竞争资源而无休止地处于相互等待状态 • 死锁将使进程已占用的资源的不到利用 • 严重情况下，死锁“蔓延”开，会导致“死机” Proc1 s1 s2 Proc2

  37. 死锁原因 P(s1) P(s2) P(s2) P(s1) • 4.3.1死锁原因 • 资源不够 • 进程推进顺序不当 • 死锁解决方法初探 • 法一：预先让进程获得所有的资源 • 法二：改变进程推进顺序－－按序使用资源 • 在进程内部解决 • 法三：改变系统调度进程的顺序 • 在进程外部，系统中解决 ... ... V(s2) V(s1) V(s1) V(s2) 进程1 进程2 阻塞进程2 阻塞进程1 死锁 进程1 P(s1) 进程2 P(s2) 进程2 P(s1) 进程1 P(s2)

  38. P(s1) P(s1) P(s2) P(s2) ... ... V(s2) V(s2) V(s1) V(s1) 死锁原因 • 死锁解决方法初探 • 法一：预先为进程分配足够资源 • 资源利用率极低 • 法二：改变进程推进顺序 • 各进程申请资源的顺序完全一致。 • 很难约束进程行为 • 法三：改变系统调度进程的顺序 • 如何界定正确的系统推进顺序？ 进程1 进程2 进程1 P(s1) 进程1 P(s2) 进程2 P(s2) …

  39. 死锁的解决 • 如何解决死锁问题？ • 开环： • 从破坏产生问题的必要条件入手 • 不使问题出现 • 闭环： • 允许问题存在，研究问题的检测和解除方法

  40. 死锁产生的必要条件 • 4.3.2死锁产生的必要条件 • 死锁和“资源”密切相关 • 1）资源访问的互斥条件 • 2）请求和保持条件 • 进程在需要时才申请资源——进程对资源的申请是分步的 • 进程在申请新资源时，对旧资源仍然保持占用 • 3）不剥夺条件 • 资源一旦获得后在V(s)之前不放弃 • 4）环路等待条件

  41. 死锁产生的必要条件 • 4）环路等待条件 • 存在进程——资源环形链 Proc1 Proc1 s1 s2 s1 s2 Proc3 s3 Proc2 Proc2 从资源出发的箭头表示已分配该资源 从进程出发的箭头表示进程正在申请资源

  42. 预防死锁 • 4.3.3解决死锁的方法之一——预防 • 破坏死锁产生的四个条件的一个或几个 • 1）破坏互斥条件 • 互斥访问是大部分资源的固有属性 • 2）破坏请求和保持条件 • 资源预分配，资源利用率低 • 3）破坏不剥夺条件 • 阻塞进程释放所有的资源，进程先前工作白费 • 4、破坏环路等待条件 • 资源按序分配，资源利用率低，进程受限

  43. 避免死锁 • 4.3.4解决死锁的方法之二——死锁避免 • 资源预测分配，分配资源前，检查分配的安全性 • 系统的安全状态和安全状态检测 • 安全状态 • 在当前的状态下，能找到一个正确的推进顺序满足所有的进程的资源需求，将它们推进完毕 • 2、安全状态检测 • 假设本次分配，检测分配后的系统状态是否安全 • 安全，则执行资源分配。 • 不安全，则不予分配，将进程阻塞

  44. 避免死锁例 • 例：条件 P1、 P2、 P3三个进程对同类资源竞争。P1最大需要10个该资源，P2最大需要4个，P3为9个。该资源总数为12个。 • 已知当前时刻，系统状态 • 1、当前是否为安全状态 • 2、若进程2提出2个资源需求是否可以分配 • 3、若进程3提出1个资源需求是否可以分配 进程 最大需求 已分配 剩余 10 5 1 10 3 5 10 1 0 4 2 2 4 3 9 2 存在一个正确的顺序推进进程 P2 P1 P3

  45. 避免死锁例 • 例：条件 P1、 P2、 P3三个进程对同类资源竞争。P1最大需要10个该资源，P2最大需要4个，P3为9个。该资源总数为12个。 • 已知当前时刻，系统状态 • 1、当前是否为安全状态 • 2、若进程2提出2个资源需求是否可以分配 • 3、若进程3提出1个资源需求是否可以分配 进程 最大需求 已分配 剩余 5 1 10 假设分配给2两个资源 3 1 4 2 2 4 3 9 2 P2 P1 P3 P2 P3 P1

  46. 避免死锁例 • 例：条件 P1、 P2、 P3三个进程对同类资源竞争。P1最大需要10个该资源，P2最大需要4个，P3为9个。该资源总数为12个。 • 已知当前时刻，系统状态 • 1、当前是否为安全状态 • 2、若进程2提出2个资源需求是否可以分配 • 3、若进程3提出1个资源需求是否可以分配 进程 最大需求 已分配 剩余 5 1 10 假设分配给3一个资源 2 3 2 2 4 3 2 3 9 P2 P1 P3 P2 P3 P1

  47. 死锁的检测与解除 • 4.3.4解决死锁的方法之三——死锁的检测与解除 • 死锁产生后的解决办法 • 1）死锁的检测 • 找出死锁的进程和相应的资源 • 2）死锁的解除 • 对死锁进程和资源加以处理，解除死锁

  48. 死锁的检测 • 1）死锁的检测 • 资源分配图 • 结点： • 进程结点 • 资源结点（同类资源形成一个结点） • 有向线段： • 进程正申请一个资源 • 进程已获得一个资源 P1 P1 P1

  49. 资源分配图的化简 • 死锁检测法——资源图的化简 • 1）在图中找出一个不阻塞，又不孤立的结点 • 2）削去该结点的所有边，使结点成为孤立结点 • 3）继续步骤1直到所有的结点都成为孤立结点，或找不到可简化的结点 P1 P1 r1 r2 P2 P2 若资源分配图能被完全简化，则当前状态不存在死锁。 反之，存在死锁进程，即那些非孤立结点。

  50. 资源分配图的化简 • 课堂练习：请化简下图 P3 P4 P5 P1 P6 r1 r2 P7 P2

More Related