湘潭大学 操作系统 第4章课件 ppt
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大学计算机基础第4章操作系统基础精品PPT课件
为了合理的使用计算机系统内包含的的各种资源，提高整个系统的使用效率。 3
4.1.2 操作系统的发展历史
1. 人工操作
•工作方式 用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员； 编程语言：机器语言； 输入输出：纸带或卡片；
•计算机的工作特点 计算机的全部资源（CPU、内存、外部设备等）由一个用户独占。 CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工
使用。
“分时”的含义是多个用户或程序分时共享硬件和软件资源，每个
用户或程序在属于自己的时间片内使用计算机，依次轮转。
多个用户分时：允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的
用户。有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，
等待下一次用户输入。
时间片分配：各个程序在CPU上执行的轮换时间。
实时操作系统
网络操作系统
分布式操作系统
12
4.1.4 操作系统的特征
• 并发性 两个或两个以上的事件在同一时间间隔中发生.
• 共享性 多个并发执行的程序可以共同使用系统的资源.
• 虚拟性 通过虚拟技术把一个物理设备虚拟为多个逻辑设备.
13
4.2 操作系统的功能
用户
应用程序 操作系统
卸取纸带或卡片；CPU利用率低； •缺点：
计算机的高处理速度与手工操作的慢速度成为矛盾; CPU和输入输出设备的工作串行进行，计算机工作效率很低。
4
手工操作阶段
手工操作阶段（无操作系统）
作业
程序 数据 作业说明
输入 设备
主机
输出 设备
计算 结果
10分钟
1分钟
10分钟
CPU利用率 = 1/21 < 5%
4.1.2 操作系统的发展历史
1. 人工操作
•工作方式 用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员； 编程语言：机器语言； 输入输出：纸带或卡片；
•计算机的工作特点 计算机的全部资源（CPU、内存、外部设备等）由一个用户独占。 CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工
使用。
“分时”的含义是多个用户或程序分时共享硬件和软件资源，每个
用户或程序在属于自己的时间片内使用计算机，依次轮转。
多个用户分时：允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的
用户。有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，
等待下一次用户输入。
时间片分配：各个程序在CPU上执行的轮换时间。
实时操作系统
网络操作系统
分布式操作系统
12
4.1.4 操作系统的特征
• 并发性 两个或两个以上的事件在同一时间间隔中发生.
• 共享性 多个并发执行的程序可以共同使用系统的资源.
• 虚拟性 通过虚拟技术把一个物理设备虚拟为多个逻辑设备.
13
4.2 操作系统的功能
用户
应用程序 操作系统
卸取纸带或卡片；CPU利用率低； •缺点：
计算机的高处理速度与手工操作的慢速度成为矛盾; CPU和输入输出设备的工作串行进行，计算机工作效率很低。
4
手工操作阶段
手工操作阶段（无操作系统）
作业
程序 数据 作业说明
输入 设备
主机
输出 设备
计算 结果
10分钟
1分钟
10分钟
CPU利用率 = 1/21 < 5%
操作系统第4章ppt课件
THANKS
感谢观看
P/V操作
对信号量进行加减操作，实现进程同 步与互斥。
经典同步问题及其解决方法
1 2
生产者-消费者问题
通过两个信号量分别控制生产者和消费者进程， 确保生产者和消费者之间的同步与互斥。
哲学家进餐问题
通过引入资源分级法或信号量集机制，避免死锁 的发生，确保哲学家进餐过程中的同步与互斥。
3
读者-写者问题
。
多线程模型比较分析
01
多对一模型Leabharlann 将多个用户级线程映射到一个内核级线程上。该模型下，线程管理在用
户空间完成，线程的调度采用非抢占式调度，由线程库负责。
02
一对一模型
将每个用户级线程都映射到一个内核级线程上。该模型下，线程的创建
、撤销和同步等都在内核中实现，线程的调度由内核完成。
03
多对多模型
将多个用户级线程映射到少数但不止一个内核级线程上。该模型结合了
前两种模型的优点，允许多个用户级线程映射到不同的内核级线程上运
行。
线程同步与互斥机制
互斥锁
采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共 资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以能保证公共资源 不会同时被多个线程同时访问。
信号量
信号量是一个整型变量，可以对其执行down和up操作，也 就是常见的P和V操作。信号量初始化为一个正数，表示并发 执行的线程数量。
死锁避免：银行家算法是一种典型的 死锁避免算法。该算法通过检查请求 资源的进程对资源的最大需求量是否 超过系统可用资源量来判断是否分配 资源给该进程。如果分配后系统剩余 资源量仍然能够满足其他进程的最大 需求量，则分配资源，否则不分配资 源。
死锁检测：通过定期运行死锁检测算 法来检测系统中是否存在死锁。常见 的死锁检测算法有资源分配图算法和 银行家算法等。如果检测到死锁发生 ，则需要采取相应措施来解除死锁， 例如通过撤销部分进程或抢占部分资 源来打破死锁状态。
操作系统第4章
2020年5月22日星期五
4.1 存储器管理的基本概念
4.1.1 存储器管理的功能
1．内存空间的分配和回收 内存分配的主要任务是采用一定的数据结构，按照一定的算法为
每一道程序分配内存空间，并记录内存空间的使用情况和作业的分配 情况。当程序运行结束后，其所占用的内存空间必须归还给操作系统， 即回收内存空间。 2．地址转换
2020年5月22日星期五
作业大小≤用户 区空间？
否 本次作业无 法运行
是
给作业分配内存空间，装入并 执行该作业
否 作业运行结束
是 释放该作业内存空间
接受下一作业
单一连续分配算法示意图
2020年5月22日星期五
单一连续分配方式的优点： （1）分配算法简单，易于实现 （2）每次装入新作业时，只需要覆盖掉原来的作业 单一连续分配方式的缺点： （1）存储器没有得到充分利用 （2）处理器的利用率较低 （3）作业周转时间较长 （4）缺乏灵活性
2.装入时动态链接 边装入边链接 其优点：
（1）便于修改和更新。 （2）便于实现对目标模块的共享。 3.运行时动态链接 将对某些模块的链接推迟到执行时才执行。
2020年5月22日星期五
4.2 连续分配方式
4.2.1 单一连续分配
采用单一连续分配方式时，内存被分成系统区和用户区两 个区域：系统区仅供操作系统使用，存放操作系统常驻内存的 代码和数据，通常设置在内存的低段；用户区供用户使用，它 是除系统区以外的全部内存区域，任何时刻内存储器中最多只 有一个作业存在。
2020年5月22日星期五
区号 1 2 3 4 5 6
分区大小 16 20 ---
起始地址 16 32 ---
8
64
40
4.1 存储器管理的基本概念
4.1.1 存储器管理的功能
1．内存空间的分配和回收 内存分配的主要任务是采用一定的数据结构，按照一定的算法为
每一道程序分配内存空间，并记录内存空间的使用情况和作业的分配 情况。当程序运行结束后，其所占用的内存空间必须归还给操作系统， 即回收内存空间。 2．地址转换
2020年5月22日星期五
作业大小≤用户 区空间？
否 本次作业无 法运行
是
给作业分配内存空间，装入并 执行该作业
否 作业运行结束
是 释放该作业内存空间
接受下一作业
单一连续分配算法示意图
2020年5月22日星期五
单一连续分配方式的优点： （1）分配算法简单，易于实现 （2）每次装入新作业时，只需要覆盖掉原来的作业 单一连续分配方式的缺点： （1）存储器没有得到充分利用 （2）处理器的利用率较低 （3）作业周转时间较长 （4）缺乏灵活性
2.装入时动态链接 边装入边链接 其优点：
（1）便于修改和更新。 （2）便于实现对目标模块的共享。 3.运行时动态链接 将对某些模块的链接推迟到执行时才执行。
2020年5月22日星期五
4.2 连续分配方式
4.2.1 单一连续分配
采用单一连续分配方式时，内存被分成系统区和用户区两 个区域：系统区仅供操作系统使用，存放操作系统常驻内存的 代码和数据，通常设置在内存的低段；用户区供用户使用，它 是除系统区以外的全部内存区域，任何时刻内存储器中最多只 有一个作业存在。
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区号 1 2 3 4 5 6
分区大小 16 20 ---
起始地址 16 32 ---
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操作系统OS_04讲义
用，通常放在低址部分；系统区以外的全部内 存空间是用户区。 特点 只能用于单用户、单任务的OS中。 软件简单，硬件要求低（无需存储保护） 实例 CP/M，MS-DOS，RT-11
2、固定分区分配
最简单的一种可运行多道程序的存储管理方式。 划分分区的方法 分区大小相等：
缺乏灵活性，用于控制多个相同对象的系统 分区大小不等：
第2页
页号 0 1 2
IMN块OT372号D：：整取除余函第 第函02数页页数第第02页页0123
（A：第第逻34页页辑地址空间中43 的地95址，L：第页3页面第大3小页45）
例则如 求第第： 得56页页某 P=系2，统d的=1页2256面大小1110为1KB，第地1页址第A1页=6782170B，
根据进程的实际需要，动态的分配内存空间 内存管理方式： 空闲分区表——序号、起址、大小等项 空闲分区链——双向链表
前
后
向
向
指 N个字节 指 针 可用 针
N
N
+2 +2
0
成若干个目标模块。 主
主
链接：主链接程序
库
库
汇编
编译
由 目链 标子接 模1 程 块序，链（以接程及L序i它nk们er所）子1需将要编的译装入库后程函形序 数成链的接一子1在组
一起，形成装入模块。子2
子2
装入：子装2 入程序
装入模块
由目装标模入块程序（Loader）将装入模块复制到内
存中。
内存
2、地址空间的概念
（库L-1函数Ret）urn链; 接形成一个整体—L—-1 装R入etu模rn;块的过
程。
L 模块B
具体对工相M0-作对1 ：地RC模eat址块lul rCBn的;; 修改；变链接换外部L调+LM+用M-1 J符SRR号”模etL块u。+rCnM; ”;
2、固定分区分配
最简单的一种可运行多道程序的存储管理方式。 划分分区的方法 分区大小相等：
缺乏灵活性，用于控制多个相同对象的系统 分区大小不等：
第2页
页号 0 1 2
IMN块OT372号D：：整取除余函第 第函02数页页数第第02页页0123
（A：第第逻34页页辑地址空间中43 的地95址，L：第页3页面第大3小页45）
例则如 求第第： 得56页页某 P=系2，统d的=1页2256面大小1110为1KB，第地1页址第A1页=6782170B，
根据进程的实际需要，动态的分配内存空间 内存管理方式： 空闲分区表——序号、起址、大小等项 空闲分区链——双向链表
前
后
向
向
指 N个字节 指 针 可用 针
N
N
+2 +2
0
成若干个目标模块。 主
主
链接：主链接程序
库
库
汇编
编译
由 目链 标子接 模1 程 块序，链（以接程及L序i它nk们er所）子1需将要编的译装入库后程函形序 数成链的接一子1在组
一起，形成装入模块。子2
子2
装入：子装2 入程序
装入模块
由目装标模入块程序（Loader）将装入模块复制到内
存中。
内存
2、地址空间的概念
（库L-1函数Ret）urn链; 接形成一个整体—L—-1 装R入etu模rn;块的过
程。
L 模块B
具体对工相M0-作对1 ：地RC模eat址块lul rCBn的;; 修改；变链接换外部L调+LM+用M-1 J符SRR号”模etL块u。+rCnM; ”;
操作系统第4章
4.1.2 程序链接
源程序经过编译后所得到的目标模块，必须由链接程序将其链接成一
个完整的可装入模块后，方能装入内存运行。链接程序在将几个目标模块
装配成一个装入模块时，需要解决以下问题：
（1）修改模块的相对地址
目标模块
装入模块
（2）变换外部调用符号
0
0
模块 A CALL B
JUMP LA
LA-1 链接 LA-1
4.1.3 程序装入
1．程序装入 根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存合适的物理位置。装入
操作针对的是程序的整个逻辑地址空间，而对应的物理地址空间既可以是 连续存放的，也可以是离散存放的。
模块装入后并不能立刻运行，因为模块中每个指令要访问的地址仍然 是相对地址，并不是内存中的实际物理地址，无法直接进行访问。要使装 入内存的程序能够运行，必须将程序中的逻辑地址转换为机器能直接寻址 的物理地址，这种地址转换操作称为“地址映射”、“地址变换”或“重 定位”。
（1）逻辑地址 用户源程序经编译、链接后得到可装入程序。由于无法预知程序装入内
存的具体位置，因此不可能在程序中直接使用内存地址，只能规定程序的起 始地址为0，而程序中指令和数据的地址都是相对0起始地址进行计算。按照 这种方法确定的地址称为逻辑地址或相对地址。一般情况下，目标模块（程 序）和装入模块（程序）中的地址都是逻辑地址。
该链接方式是对装入时动态链接方式的一种改进。这种链接方式是将对某 些模块的链接推迟到执行时才执行，在执行过程中，当发现一个被调用模块尚 未装入内存时，立即由OS去找到该模块并将之装入内存， 把它链接到调用者 模块上。
只要在执行过程中未被用到的目标模块，都不会被调入内存和被链接到装 入模块上，这样不仅可加快程序的装入过程，而且可节省大量的内存空间。
操作系统课件第四版第四章
优点：装入过程简单。 缺点：过于依赖于硬件结构，不适于多道程序系统。
2.可重定位装入方式（也称为静态重定位或静 态地址映射）
是在程序执行之前进行重定位。它根据装配模 块将要装入的内存起始地址，直接修改装配模块中 的有关使用地址的指令。即当用户程序被装入内存 时，一次性实现逻辑地址到物理地址的转换，以后 不再转换（一般在装入内存时由软件完成）。 例如在图中以“0”作为参考地址的装配模块， 要装入以10000为起始地址的存储空间。显然在装入 程序之前，程序必须做一些修改才能正确运行。
Y
本次无法分配
N
N
m.size>u.size m.size-u.size≤size？
N
从 该 分 区 中 划 出 u.size 大小的分区
Y
将该表目以上的所有 表目下移一格 将该分区分配给申请者， 修改有关的数据结构 返 回
2）回收内存 当一个作业运行完毕释放内存时，系统根据释 放区的首地址，从空闲区说明表中找到相应的插入 点，此时可能出现下列四种情况（如下图所示，其 中F1，F2表示回收区的前、后空闲区）： 当回收区既不与F1邻接，又不与F2邻接时（如A）， 应为回收区单独建立一项新表目，填写回收区的起 址和大小，并根据其起址，插入到空闲区说明表的 适当位置。 当回收区只与插入点的前一个分区 F1 相邻接时 （如B），应将回收区与插入点的前一个分区合并， 不再为回收区分配新的表目，而只需修改 F1分区表 目的大小即可。
可执行文件 进程
在这个过程中，原程序的地址将产生变化： （1）编辑：使用符号地址 （2）编译：模块内符号地址解析 （3）链接：模块间符号地址解析
（4）装入：使用物理地址
符号地址：在源程序中，是通过符号名来访问子程序和 数据的，把程序中符号名的集合称为“名字空间”。
操作系统-第4章-存储管理课件
的区，其大小跟页面大小相等； ③ 逻辑地址形式：页号＋页内位移 ④ 页表和地址转换（后面图）
38
基本原理(2)
作业的页面与分给的页框如何建立联系呢？ 逻辑地址(页面)如何变换成物理地址(页框)
呢？ 作业的物理地址空间由连续变成分散后，如
何保证程序正确执行呢？ ➢使用动态重定位技术，给每个页面设立重定
伙伴原理 • 伙伴系统是一种固定分区和可变分区折中的主存管理算
法，基本原理：任何尺寸为2i的空闲块可以被分为两个尺 寸为2i-1的空闲块，这两个空闲块称为伙伴。 • 伙伴通过对大块的物理主存划分而获得 假如从第0个页面开始到第3个页面结束的主存
0123
0123
每次都对半划分，那么第一次划分获得大小为2页的伙 伴，如0、1和2、3
找时间比较长。
21
4）最坏适应分配算法 ➢ 分配能满足要求的最大区； ➢ 可以将空闲区按照大小从大到小排列，查找第一
个满足要求的。 ➢ 效率大致等同于最先适应法。 5) 快速适应分配算法 ➢ 为经常用到的长度的空闲区设置单独的链表。 ➢ 优点：查找快速； ➢ 缺点：归还时与相邻空闲区的合并即复杂又费时
15
可变分区方式主存分配示例
操作系统 4KB 作业1 10KB
空闲区
46KB 作业2 52KB 空闲区 128KB
操作系统 4KB 作业1 10KB 作业3
40KB 空闲区 46KB 作业2 52KB 空闲区 128KB
操作系统 4KB 作业1 10KB 作业3 40KB
空闲区
128KB
16
可变分区存储管理数据结构
存储保护
• 问题：保护操作系统不受用户进程所影响，保护用户进程 不受其他用户进程所影响
• 方法 1) 存储键保护
38
基本原理(2)
作业的页面与分给的页框如何建立联系呢？ 逻辑地址(页面)如何变换成物理地址(页框)
呢？ 作业的物理地址空间由连续变成分散后，如
何保证程序正确执行呢？ ➢使用动态重定位技术，给每个页面设立重定
伙伴原理 • 伙伴系统是一种固定分区和可变分区折中的主存管理算
法，基本原理：任何尺寸为2i的空闲块可以被分为两个尺 寸为2i-1的空闲块，这两个空闲块称为伙伴。 • 伙伴通过对大块的物理主存划分而获得 假如从第0个页面开始到第3个页面结束的主存
0123
0123
每次都对半划分，那么第一次划分获得大小为2页的伙 伴，如0、1和2、3
找时间比较长。
21
4）最坏适应分配算法 ➢ 分配能满足要求的最大区； ➢ 可以将空闲区按照大小从大到小排列，查找第一
个满足要求的。 ➢ 效率大致等同于最先适应法。 5) 快速适应分配算法 ➢ 为经常用到的长度的空闲区设置单独的链表。 ➢ 优点：查找快速； ➢ 缺点：归还时与相邻空闲区的合并即复杂又费时
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可变分区方式主存分配示例
操作系统 4KB 作业1 10KB
空闲区
46KB 作业2 52KB 空闲区 128KB
操作系统 4KB 作业1 10KB 作业3
40KB 空闲区 46KB 作业2 52KB 空闲区 128KB
操作系统 4KB 作业1 10KB 作业3 40KB
空闲区
128KB
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可变分区存储管理数据结构
存储保护
• 问题：保护操作系统不受用户进程所影响，保护用户进程 不受其他用户进程所影响
• 方法 1) 存储键保护
操作系统第四章49页PPT文档
非抢占方式 在某个进程正在占用处理器执行时，不允许其它 任何进程抢占处理器。
抢占方式 把处理器分配给某个进程后，在该进程尚未终止 或阻塞时，允许系统调度程序根据某种原则，暂 停正在执行的进程，回收已经分配的处理器，并 将处理器重新分配给其它更为紧急的进程。
4. 线程调度
作业与进程的关系
作业是用户向计算机提交任务的任务实体。一 个作业是指在一次应用业务处理过程中，从输 入开始到输出结束，用户要求计算机所做的有 关该次业务处理的全部工作。进程则是计算机 为了完成用户任务实体而设置的执行，是系统 分配资源的基本单位。一个作业总是由一个或 多个进程组成的。作业分解为进程的过程是： 系统首先为一个作业创建一个根进程。然后， 在执行作业控制语句时，根据任务要求，系统 或根进程为其创建相应的子进程。最后，进行 进程调度，为各子进程分配资源和调度各子进 程执行，以完成作业要求的工作。
调度的层次
2. 交换调度：
3.
又称中级调度。其主要任务是按照给
定的原则和策略，将处于外存交换区中的
就绪状态或等待状态的进程调入内存，或
把处于内存就绪状态或内存等待状态的进
程交换到外存交换区。
调度的层次
3．进程调度 进程调度又称为低级调度或微观调度。其主要任务是按 照某种策略和算法，将处理机分配给一个处于就绪状态 的进程。进程调度可分为下列两种方式：
提交状态 后备态 运行态 完成
进入系统的时间开始执行时间已运行时间内存 地址外设台数
作业的优先级
作业调度的功能
2．从后备队列中挑选出一部分作业投入执行。作业调度程 序根据选定的调度算法，从后备作业队列中挑选出若干 作业去投入执行。
3．为被选中作业做好执行前的准备工作。作业调度程序为 选中的作业建立相应的进程，并为这些进程分配它们所 需要的系统资源，如分配给它们内存、外存、外设等。
抢占方式 把处理器分配给某个进程后，在该进程尚未终止 或阻塞时，允许系统调度程序根据某种原则，暂 停正在执行的进程，回收已经分配的处理器，并 将处理器重新分配给其它更为紧急的进程。
4. 线程调度
作业与进程的关系
作业是用户向计算机提交任务的任务实体。一 个作业是指在一次应用业务处理过程中，从输 入开始到输出结束，用户要求计算机所做的有 关该次业务处理的全部工作。进程则是计算机 为了完成用户任务实体而设置的执行，是系统 分配资源的基本单位。一个作业总是由一个或 多个进程组成的。作业分解为进程的过程是： 系统首先为一个作业创建一个根进程。然后， 在执行作业控制语句时，根据任务要求，系统 或根进程为其创建相应的子进程。最后，进行 进程调度，为各子进程分配资源和调度各子进 程执行，以完成作业要求的工作。
调度的层次
2. 交换调度：
3.
又称中级调度。其主要任务是按照给
定的原则和策略，将处于外存交换区中的
就绪状态或等待状态的进程调入内存，或
把处于内存就绪状态或内存等待状态的进
程交换到外存交换区。
调度的层次
3．进程调度 进程调度又称为低级调度或微观调度。其主要任务是按 照某种策略和算法，将处理机分配给一个处于就绪状态 的进程。进程调度可分为下列两种方式：
提交状态 后备态 运行态 完成
进入系统的时间开始执行时间已运行时间内存 地址外设台数
作业的优先级
作业调度的功能
2．从后备队列中挑选出一部分作业投入执行。作业调度程 序根据选定的调度算法，从后备作业队列中挑选出若干 作业去投入执行。
3．为被选中作业做好执行前的准备工作。作业调度程序为 选中的作业建立相应的进程，并为这些进程分配它们所 需要的系统资源，如分配给它们内存、外存、外设等。
计算机操作系统完整(第四版)第四五章ppt课件
一起，形成装入模块。子2
子2
装入：子装2 入程序
装入模块
由目装标模入块程序（Loader）将装入模块复制到内
存中。
内存
.
7
2、地址空间的概念
物理（绝对）地址——程序执00行00000001
00002
每00个0 内主 存单元的固定顺序地址. （编号）。 内50存0 ：由字或字000节0 组主 成的一维.. 线性地址空间
.
19
• 4.3.5基于索引搜索的动态分区分配算法
1、快速适应算法：空闲分区按容量大小进行分 类。对于每一类具有相同容量的所有空闲空间分 区，单独设立一个空闲分区链表。在内存中设立 一张管理索引表，每个表项对应一种空闲分区类 型。
优点：查找效率高。保留大分区也不会产生碎片
缺点：分区归还主存时算法复杂。
进行紧凑
按动态分区方式
时提高形成了连续系空闲统区 效率。
进行分配
缺点：需要动态重定位“硬件”机构支持，增加
修改有关的
修改有关的
返回分区号
了系统数成据结本构，并轻度降低了数据程结构序执行速度，及首“批 紧
凑”处理增加了系统开销。
无法分配
返回
动态重定位分区分配算法流程
.
29
4.4、对换（Swapping）
成的，以后不再改变。
5000
15000
动态重定位：地址变换是在程序指令执行
作时业进地址行空的间 。
内存空间
.
9
0 0
BR：重定位寄存器 VR: 变址寄存器
.
10
4、程序的链接
链 接把：一0个程C模a序块ll BA相; 关的一组目标模块和0 系JS统模R块”调LA”;用模块
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6
4.1 调度简介
中级调度
中级调度介于高级调度和低级调度之间。该调度根 据进程状态决定辅存和主存之间的进程对换。主存 资源紧缺时，将暂时不能运行的进程换出，进程转 为挂起状态；主存资源空闲，并且进程满足运行条 件时，再将进程调回主存。对主存的利用和系统吞 吐率都有很大的提升。
7
4.1 调度简介
14
4.1 调度简介
作业调度
审查：根据作业控制块中的信息，审查系统能否满 足用户作业的资源需求 将作业调入内存：按照一定的算法，从外存的后备 队列中选取某些作业调入内存 为它们创建进程 分配必要的资源 插入就绪队列：将新创建的进程插入就绪队列，准 备执行
15
4.1 调度简介
考虑的问题：作业调度要考虑每次允许多少个作业 同时在内存中运行？
平均周转时间：
T 20 40 13 226 74.75 4 1 1.74 13 1.13 4.22 4
10
4.1 调度简介
如图4.2所示，被高级调度选中的作业，从后备队 列中，通过多个作业步：编译、链接、装入、运行， 称为目标进程，进入主存的就绪队列等候。就绪队 列中的进程以此被分配相同的时间片获得处理器。 如果进程在给定的时间片内顺利完成，便在释放处 理机进入完成状态； 如果进程在本次分配的时间片内尚未完成，该进程 会到就绪队列的末尾等待下一个时间片； 如果在执行期间进程因为某事件而被阻塞，则进入 等待队列，进入挂起状态，进入挂起阻塞队列，直 到等待的事件发生，再进入挂起就绪队列，等待中 级调度将其调回主存就绪队列。
4
4.1 调度简介
高级调度
高级调度能够控制多道程序中被选进主存的作业数 量，数量越多，每个作业获得的CPU时间越少。对 用户而言，总希望自己作业的周转时间尽可能的少， 最好周转时间就等于作业的执行时间。然而对系统 来说，则希望作业的平均周转时间尽可能少，有利 于提高CPU 的利用率和系统的吞吐量。为此，每 个系统在选择作业调度算法时，既应考虑用户的要 求，又能确保系统具有较高的效率。
6. 处理机利用率：
7. 公平性：
22
4.2 调 度 算 法
1．先来先服务调度算法
先来先服务算法（First Come First Served， FCFS）按 照作业/进程进入队列的先后顺序进行挑选，先进入的将 优先进行后续步骤。该算法既可用于高级调度，也可用于 低级调度。当在高级调度中采用该算法时，每次调度都是 从后备作业队列中选择一个或多个最先进入该队列的作业， 将它们调入内存，为它们分配资源、创建进程，然后放入 就绪队列。在低级调度中采用该算法时，则每次调度是从 就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程，为之分配处 理机，使之投入运行。该进程一直运行到完成或发生某事 件而阻塞后才放弃处理机。该算法比较有利于长作业(进 23 程)，而不利于短作业(进程)。
11
4.1 调度简介源自作业的相关介绍在作业运行期间，每个作业都必须经过若干个相对独 立，又相互关联的顺序加工步骤才能得到结果，其中 的每一个加工步骤就是一个作业步，上一个作业步的 输出一般是下一个作业步的输入。 例如，一个典型的作业可分成四个作业步：
① “编译”，通过执行编译程序对源程序进行编译，产生 若干个目标程序段； ② “链接”，将“编译”作业步所产生的若干个目标程序 段通过库函数链接在一起； ③“装配”，将链接好的部分装配成可执行的目标程序； ④“运行”，将可执行的目标程序读入内存并控制其运行。
。
例1，有以下4个作业，采用先来先服务算法，到达时 间和调度服务时间如下表所示
作 到达时 服务时 开始时 完成时 周转时 带权周转
业
1 2
间
0 4
间
20 23
间
0 20
间
20 43
间
20 39
时间
1 1.7
3 4
8 18
1 200
43 44
44 244
36 226
36 1.13
使用先来先服务算法得到的平均周转时间与作业到达 顺序和调度顺序有关 平均周转时间：
8
4.1 调度简介
运行
就绪
阻塞 短程 阻塞，挂起
就绪，挂起 中程 长程 新建 退出
图4.1 三种调度的层次关系
9
4.1 调度简介
高级调度 后备队列 时间片内未完成 就绪队列 低级调度 处理 机 完成
交互型作业
中级调度
挂起就绪队列 事件发生
挂起阻塞队列 事 件 发 生 等待队列 等待事件 挂起
图4.2 三种调度的队列图
17
4.1.2 调度准则
1. 周转时间：
对每个用户而言，都希望自己作业的周转时间最短。但 作为计算机系统的管理者，则总是希望能使平均周转时 间最短，这不仅会有效地提高系统资源的利用率，而且 还可使大多数用户都感到满意。所以一般考虑平均情况， 即平均周转时间T：
1 T Ti n i 1
25
4.2 调 度 算 法
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 就绪队列中选出一个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。 SJF调度算法能有效地降低作业的平均等待时间， 提高系统吞吐量。
若干个作业进入系统后，被依次存放在外存上，形成 了输入的作业流；在操作系统的控制下，逐个作业进 行处理，于是便形成了处理作业流。
12
4.1 调度简介
作业的管理和调度
每个作业设置了一个作业控制块
保存了系统对作业进行管理和调度所需的全部信息，是作业 在系统中存在的标志 作业标识、用户名称、用户帐户、作业类型、作业状态、优 先级、作业已运行时间、 (预计运行时间、要求内存大小、 要求I/O设备的类型和数量等、进入系统时间、开始处理时 间、作业完成时间、作业退出时间、资源使用情况等。
20
4.1.2 调度准则
3.截止时间：是指某任务必须开始执行的最迟时间，
或必须完成的最迟时间。 这是评价实时系统性能的重要指标，选择实时调度算 法的重要准则 在批处理、分时和实时系统中选择调度算法时，都可 遵循优先权准则，以便让某些紧急的作业能得到及时 处理。在要求较严格的场合，往往还须选择抢占式调 度方式，才能保证紧急作业得到及时处理
在上述三种调度中，进程调度是操作系统最核心的 部分，运行频率最高，因此把它称为短程调度。为 避免进程调度占用太多的CPU时间，进程调度算法 不宜太复杂。作业调度往往是发生在一个 (批)作业 运行完毕，退出系统，而需要重新调入一个 (批) 作 业进入内存时，故作业调度的周期较长，大约几分 钟一次，因此把它称为长程调度。在纯粹的分时或 实时操作系统中通常不需要作业调度。中级调度的 运行频率基本上介于上述两种调度之间。一些功能 完善的操作系统为了提高主存利用率和作业吞吐率， 会引入中级调度。
T 20 39 36 226 80.25 4
36 1.13 9.96 平均带权周转时间： W 1 1.7 4
24
4.2 调 度 算 法
2. 短作业(进程)优先调度算法
短作业优先调度算法（shot job first, SJF）按照进 入系统的作业所要求的CPU运行时间的长短为挑选 依据，优先选取预计计算时间最短的作业。可以分 别用于高级调度和低级调度。
计算机操作系统
第4章 处理机调度
1
目
录
4.1 调度简介
4.2 调度算法 4.3 死锁简介 4.4 死锁检测和恢复 4.5 死锁避免
2
4.1 调度简介
计算机系统中，处理器和内存资源会出现供 不应求的情况，特别是多个I/O设备与主机交 互，作业不断进入系统，或者是多个批处理作 业在磁盘的后备队列中等待进入内存的情况。 操作系统在管理有限的资源的同时，需要考虑 如何选取进入内存的作业，如何分配有限的处 理器资源给多个进程等重要问题。处理器的调 度正是处理器和内存资源调度和分配相关的工 作。
26
例2，例1所示的4个作业，采用短作业优先调度算法
作 到达时 服务时 开始时 完成时 周转时 带权周转
业
1 2 3
间
0 4 8
间
20 23 1
间
0 21 20
间
20 44 21
间
20 40 13
时间
1 1.74 13
4
18
200
44
244
226
1.13
与FCFS调度算法相比，平均周转时间和平均带权周转 时间都要短，这说明SJF调度算法有效的降低了作业 的平均等待时间，提高了系统吞吐量，具有较好的调 度性能
4. 优先权：
21
4.1.2 调度准则
5. 吞吐量：在单位时间内系统所完成的作业数。
用于评价批处理系统性能的一个重要指标，是选择批处 理作业调度的重要准则 与批处理作业的平均长度具有密切关系。对于同一批作 业，若采用了较好的调度方式和算法，则可显著地提高 系统的吞吐量 由于CPU价格十分昂贵，致使处理机的利用率成为衡量 系统性能的十分重要的指标 调度方式和算法对处理机的利用率起着十分重要的作用 有效地利用其它各类资源，如内存、外存和I/O设备等 选择适当的调度方式和算法可以保持系统中各类资源都 处于忙碌状态
最早进入外存的作业（先来先服务调度算法） 外存上最短的作业（短作业优先调度算法） 外存上优先级最高的作业（优先级调度算法）
4.1 调度简介
中级调度
中级调度介于高级调度和低级调度之间。该调度根 据进程状态决定辅存和主存之间的进程对换。主存 资源紧缺时，将暂时不能运行的进程换出，进程转 为挂起状态；主存资源空闲，并且进程满足运行条 件时，再将进程调回主存。对主存的利用和系统吞 吐率都有很大的提升。
7
4.1 调度简介
14
4.1 调度简介
作业调度
审查：根据作业控制块中的信息，审查系统能否满 足用户作业的资源需求 将作业调入内存：按照一定的算法，从外存的后备 队列中选取某些作业调入内存 为它们创建进程 分配必要的资源 插入就绪队列：将新创建的进程插入就绪队列，准 备执行
15
4.1 调度简介
考虑的问题：作业调度要考虑每次允许多少个作业 同时在内存中运行？
平均周转时间：
T 20 40 13 226 74.75 4 1 1.74 13 1.13 4.22 4
10
4.1 调度简介
如图4.2所示，被高级调度选中的作业，从后备队 列中，通过多个作业步：编译、链接、装入、运行， 称为目标进程，进入主存的就绪队列等候。就绪队 列中的进程以此被分配相同的时间片获得处理器。 如果进程在给定的时间片内顺利完成，便在释放处 理机进入完成状态； 如果进程在本次分配的时间片内尚未完成，该进程 会到就绪队列的末尾等待下一个时间片； 如果在执行期间进程因为某事件而被阻塞，则进入 等待队列，进入挂起状态，进入挂起阻塞队列，直 到等待的事件发生，再进入挂起就绪队列，等待中 级调度将其调回主存就绪队列。
4
4.1 调度简介
高级调度
高级调度能够控制多道程序中被选进主存的作业数 量，数量越多，每个作业获得的CPU时间越少。对 用户而言，总希望自己作业的周转时间尽可能的少， 最好周转时间就等于作业的执行时间。然而对系统 来说，则希望作业的平均周转时间尽可能少，有利 于提高CPU 的利用率和系统的吞吐量。为此，每 个系统在选择作业调度算法时，既应考虑用户的要 求，又能确保系统具有较高的效率。
6. 处理机利用率：
7. 公平性：
22
4.2 调 度 算 法
1．先来先服务调度算法
先来先服务算法（First Come First Served， FCFS）按 照作业/进程进入队列的先后顺序进行挑选，先进入的将 优先进行后续步骤。该算法既可用于高级调度，也可用于 低级调度。当在高级调度中采用该算法时，每次调度都是 从后备作业队列中选择一个或多个最先进入该队列的作业， 将它们调入内存，为它们分配资源、创建进程，然后放入 就绪队列。在低级调度中采用该算法时，则每次调度是从 就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程，为之分配处 理机，使之投入运行。该进程一直运行到完成或发生某事 件而阻塞后才放弃处理机。该算法比较有利于长作业(进 23 程)，而不利于短作业(进程)。
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4.1 调度简介源自作业的相关介绍在作业运行期间，每个作业都必须经过若干个相对独 立，又相互关联的顺序加工步骤才能得到结果，其中 的每一个加工步骤就是一个作业步，上一个作业步的 输出一般是下一个作业步的输入。 例如，一个典型的作业可分成四个作业步：
① “编译”，通过执行编译程序对源程序进行编译，产生 若干个目标程序段； ② “链接”，将“编译”作业步所产生的若干个目标程序 段通过库函数链接在一起； ③“装配”，将链接好的部分装配成可执行的目标程序； ④“运行”，将可执行的目标程序读入内存并控制其运行。
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例1，有以下4个作业，采用先来先服务算法，到达时 间和调度服务时间如下表所示
作 到达时 服务时 开始时 完成时 周转时 带权周转
业
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0 4
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20 23
间
0 20
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20 39
时间
1 1.7
3 4
8 18
1 200
43 44
44 244
36 226
36 1.13
使用先来先服务算法得到的平均周转时间与作业到达 顺序和调度顺序有关 平均周转时间：
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4.1 调度简介
运行
就绪
阻塞 短程 阻塞，挂起
就绪，挂起 中程 长程 新建 退出
图4.1 三种调度的层次关系
9
4.1 调度简介
高级调度 后备队列 时间片内未完成 就绪队列 低级调度 处理 机 完成
交互型作业
中级调度
挂起就绪队列 事件发生
挂起阻塞队列 事 件 发 生 等待队列 等待事件 挂起
图4.2 三种调度的队列图
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4.1.2 调度准则
1. 周转时间：
对每个用户而言，都希望自己作业的周转时间最短。但 作为计算机系统的管理者，则总是希望能使平均周转时 间最短，这不仅会有效地提高系统资源的利用率，而且 还可使大多数用户都感到满意。所以一般考虑平均情况， 即平均周转时间T：
1 T Ti n i 1
25
4.2 调 度 算 法
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 就绪队列中选出一个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。 SJF调度算法能有效地降低作业的平均等待时间， 提高系统吞吐量。
若干个作业进入系统后，被依次存放在外存上，形成 了输入的作业流；在操作系统的控制下，逐个作业进 行处理，于是便形成了处理作业流。
12
4.1 调度简介
作业的管理和调度
每个作业设置了一个作业控制块
保存了系统对作业进行管理和调度所需的全部信息，是作业 在系统中存在的标志 作业标识、用户名称、用户帐户、作业类型、作业状态、优 先级、作业已运行时间、 (预计运行时间、要求内存大小、 要求I/O设备的类型和数量等、进入系统时间、开始处理时 间、作业完成时间、作业退出时间、资源使用情况等。
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4.1.2 调度准则
3.截止时间：是指某任务必须开始执行的最迟时间，
或必须完成的最迟时间。 这是评价实时系统性能的重要指标，选择实时调度算 法的重要准则 在批处理、分时和实时系统中选择调度算法时，都可 遵循优先权准则，以便让某些紧急的作业能得到及时 处理。在要求较严格的场合，往往还须选择抢占式调 度方式，才能保证紧急作业得到及时处理
在上述三种调度中，进程调度是操作系统最核心的 部分，运行频率最高，因此把它称为短程调度。为 避免进程调度占用太多的CPU时间，进程调度算法 不宜太复杂。作业调度往往是发生在一个 (批)作业 运行完毕，退出系统，而需要重新调入一个 (批) 作 业进入内存时，故作业调度的周期较长，大约几分 钟一次，因此把它称为长程调度。在纯粹的分时或 实时操作系统中通常不需要作业调度。中级调度的 运行频率基本上介于上述两种调度之间。一些功能 完善的操作系统为了提高主存利用率和作业吞吐率， 会引入中级调度。
T 20 39 36 226 80.25 4
36 1.13 9.96 平均带权周转时间： W 1 1.7 4
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4.2 调 度 算 法
2. 短作业(进程)优先调度算法
短作业优先调度算法（shot job first, SJF）按照进 入系统的作业所要求的CPU运行时间的长短为挑选 依据，优先选取预计计算时间最短的作业。可以分 别用于高级调度和低级调度。
计算机操作系统
第4章 处理机调度
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目
录
4.1 调度简介
4.2 调度算法 4.3 死锁简介 4.4 死锁检测和恢复 4.5 死锁避免
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4.1 调度简介
计算机系统中，处理器和内存资源会出现供 不应求的情况，特别是多个I/O设备与主机交 互，作业不断进入系统，或者是多个批处理作 业在磁盘的后备队列中等待进入内存的情况。 操作系统在管理有限的资源的同时，需要考虑 如何选取进入内存的作业，如何分配有限的处 理器资源给多个进程等重要问题。处理器的调 度正是处理器和内存资源调度和分配相关的工 作。
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例2，例1所示的4个作业，采用短作业优先调度算法
作 到达时 服务时 开始时 完成时 周转时 带权周转
业
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间
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与FCFS调度算法相比，平均周转时间和平均带权周转 时间都要短，这说明SJF调度算法有效的降低了作业 的平均等待时间，提高了系统吞吐量，具有较好的调 度性能
4. 优先权：
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4.1.2 调度准则
5. 吞吐量：在单位时间内系统所完成的作业数。
用于评价批处理系统性能的一个重要指标，是选择批处 理作业调度的重要准则 与批处理作业的平均长度具有密切关系。对于同一批作 业，若采用了较好的调度方式和算法，则可显著地提高 系统的吞吐量 由于CPU价格十分昂贵，致使处理机的利用率成为衡量 系统性能的十分重要的指标 调度方式和算法对处理机的利用率起着十分重要的作用 有效地利用其它各类资源，如内存、外存和I/O设备等 选择适当的调度方式和算法可以保持系统中各类资源都 处于忙碌状态
最早进入外存的作业（先来先服务调度算法） 外存上最短的作业（短作业优先调度算法） 外存上优先级最高的作业（优先级调度算法）