第3章 处理机调度与死锁

适当的调度算法，能保持系统中各类资源都处于忙
碌状态。如CPU繁忙的作业和I/O繁忙的作业搭配
4. 策略强制执行 譬如安全策略，必须准确执行
7
2. 批处理系统的目标
1、周转时间短
处
作业从提交给系统到作业完成所经历的时间
理
（作业周转时间= 等待时间+运行时间
机
=作业完成时刻 - 作业提交时刻
调
[批处理系统]
处 理
算法的原理(图3-4)
机 调 度 与 死
• 设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。
第一个队列最高，第二队列次之，其余优先权逐个降低。
• 各队列中执行时间片的大小各不相同，优先权愈高的
队列，每个进程的执行时间片就愈小。
锁
• 新进程进入第一队列的末尾，按FCFS调度，未完成放
入下一队列
死 缺点：
锁
① 对长作业(进程)不利
② 没有考虑紧迫程度
③ 运行时间难以估计
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3.2.4 优先权优先调度算法
(priority-scheduling algorithm，PSA)
处
理 机
为照顾紧迫型作业，使之在进入系统后便获得
调 度
优先处理
与
死 锁
1. 优先权的类型
2. 高响应比优先调度算法
事先预知的一串时间序列，而非周期任务也可能是预
机
知的
调 开始截止时间和完成截止时间
度
与
处理时间：任务从开始执行直至完成所需的时间
死 锁
资源要求：任务执行时所需的一组资源
优先级: 赋予“绝对”优先级/“相对”优先级
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条件2. 系统处理能力强
在实时系统中，通常都有多个实时任务。
处 需要强大的处理能力，否则忙不过来，某些
与 死
2. 相应机制
锁
1 排队器： 按指定算法排
2 分派器 ：依据调度程序选进程
3 上下文切换器： 执行大量的load 和store
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进程调度机制
处 理 机 调 度 与 死 锁
(1) 排队器
(2) 分派器
(3) 上下文切换器
18
3．进程调度方式
(1) 非抢占方式 (Non-preemptive Mode)
• 当第一队列空闲时，才调度第二队列，…
23
3. 多级反馈队列调度算法的性能
该算法有较好的性能，能很好地满足各种类型用户的
处 需要。
理 机 调 度
(1) 终端型作业用户。作业大多属于交互型作业，通常
较小，系统只要能使这些作业在第一队列所规定的时间片内完 成，便可使终端型作业用户都感到满意。
与
(2)短批处理作业用户。对很短的批处理型作业，像终
处 理
一旦把处理机分配给某进程后，不管它要
机
运行多长时间，都一直让它运行下去，不抢，
调 度
等。
与
直至该进程完成，自愿释放处理机，或发
死
锁
生某事件而被阻塞时，才再把处理机分配给其
他进程。
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非抢占方式可能引起进程调度的因素：
① 自己down掉了：正在执行的进程执行完毕，或
处 因发生某事件而不能再继续执行；
阻塞，挂起队列
事
件 出
挂起
现
阻塞队列
等待事件
图 具有三级调度时的调度队列模型
6
1. 处理机调度算法共同目标（从全局角度）
1. 资源利用率高（系统吞吐量高）
处
单位时间内系统所完成的作业数，跟作业本身和调
理
度算法有关[ 批处理系统 ]
机
调
度 2. 公平性 （将领）
与
调度方式和算法，不发生饥饿现象
死 锁 3. 各资源的平衡利用（士兵）
度 与 死
① 平均周转时间 T=（T1+T2+…+Tn）/n ② 带权周转时间W = 周转时间/CPU执行时间
锁
2、系统吞吐量高
单位时间内完成的作业数
3、处理机利用率高
因CPU贵
8
3. 分时系统的目标
1. 响应时间快
处
从输入一个请求到给出首次响应的时间[分时系统]
理 机
(此时进程并不一定执行完毕)
度
与
事件2出现
死
锁
事件n出现
… … … …
时间片完 就绪队列
进程调度
进程完成 CPU
等待事件1
等待事件2
等待事件n
图 3-2 具有高、低两级调度的调度队列模型
5
3. 具有三级调度的调度队列模型
作业调度
时间片完
后备队列 批量作业
交互型作业
就绪队列
进程调度
进程完成
CPU
中级调度 就绪，挂起队列
事件出现
理
②自己跑去做别的事：执行中的进程因提出I/O请
机 求而暂停执行；
调
度
③ 自己被阻塞：在进程通信或同步过程中执行了
与 某种原语操作，如wait操作、Block原语。
死
锁
优点是实现简单，系统开销小，适用于大多数批
处理系统环境。但难以满足紧急任务的要求——
立即执行。
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(2) 抢占方式(preemptive Mode)
调
度
1. 非抢占式调度算法
与
• 非抢占式轮转调度算法
死
• 非抢占式优先调度算法。
锁
2. 抢占式调度算法
• 基于时钟中断的抢占式优先权调度算法
• 立即抢占的优先权调度算法
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实时进程要求调度
调度实时进程运行
实时进程请求调度 时钟中断到来时
进程 1
进程 2
…
进程 n
调度时间 (a) 非抢占式轮转调度
实时进程
式的，因而系统是不可调度的。
处 理 Straightforward ways out：
机 调
① （自己做）单处理机系统，增强处理能力，减少
度
对每一个任务的处理时间；
与
② （找人帮忙）采用多处理机系统。假定系统中的
死
处理机数为N，则应将上述的限制条件改为：
锁
m Ci N
P i1 i
29
条件3. 采用抢占式调度机制
12
2. 短作业(进程)优先调度算法(SJF/SPF)
可用于作业调度和进程调度。
处 短作业优先(SJF) 是从后备队列中选择一/多个估计
理
运行时间最短的作业，将它们调入内存运行。
机 调 度 与
短进程优先(SPF) 则是从就绪队列中选出一个估计 运行时间最短的进程运行，并一直执行到完成，或 发生某事件而阻塞放弃处理机时再重新调度。
3.1.3 中级调度
锁
P85
2
高级调度(High-Level Scheduling)
又称作业调度，决定后备作业中谁调入内存运行
处 理 低级调度(Low-Level Scheduling)
机
调
又称进程调度，决定就绪队列中哪个进程获得
度 与
CPU；
死 锁
中级调度(Intermediate-Level Scheduling)
实时进程请求调度 当前进程运行完成
当前进程 调度时间
实时进程
(b) 非抢占式优先权调度
当前进程 调度时间
实时进程
(c) 基于时钟中断抢占的优先权抢占调度
实时进程请求调度 实时进程抢占当前 进程并立即执行
当前进程
实时进程
调度时间
(d) 立即抢占的优先权调度
图3-8 实时进程调度四种情况的调度时间
3.4.3 常用的几种实时调度算法
调
度 与 2. 均衡性
死
系统相应时间的快慢应与用户所请求服务的复杂
锁
性相适应
9
4. 实时系统的目标
1. 截止时间的保证
处
实时系统性能的重要指标，因而是选择实时调
理
度算法的重要准则。
机 调
开始截止时间（必须开始执行的最迟时间）和
度
完成截止时间（必须完成的最迟时间）
与
死 锁
2. 可预测性
希望连续，譬如游戏、电
度
与
3.4.2 实时调度算法的分类
死
锁
3.4.3 常用的几种实时调度算法
25
3.4.1 实现实时调度的基本条件
处 理
1. 提供必要的调度信息
机
2. 系统处理能力强
调
度
3. 采用抢占式调度机制
与
死
4. 具有快速切换机制
锁
26
条件1. 提供必要的调度信息
处 理
就绪时间：成为就绪状态的起始时间，周期任务是
（抢）根据某种原则暂停正在执行的进程，将
处
处理机重新分配给另一进程。
理
优点：能满足对响应时间有严格要求的实时任务的
机
需求。
调 度
缺点：调度所需付出的开销较大。
与
（盗亦有道）抢占的几条原则：
死
锁
1. 优先权原则
2. 短作业(进程)优先原则
3. 时间片原则
21
3.3.2 轮转调度算法
1. 时间片轮转法 处
影
10
3.2 作业与作业调度
处 资源分配算法/系统资源分配策略
理 不同的系统，不同目标，采用不同的
机
调度算法
调
度
与 死
1 先来先服务（FCFS）算法
锁
2 短作业(进程)优先调度算法
3 高优先权优先调度算法 4 基于时间片的轮转调度算法
P89
11
1. 先来先服务(FCFS)调度算法
最简单，可用于作业调度和进程调度
机 调 度
优先权

等待时间 要求服务时间 要求服务时间
与
死
因为：响应时间=等待时间+服务时间
锁
所以：优先权=响应比RP：
RP

等待时要间求服要务求时服间务时间
响应时间 要求服务时间
16
3.3 进程调度
P91
处 1.进程调度任务：
理 ① 保存处理机的现场信息
机 调
② 按某种算法选取进程
度 ③ 把处理机分配给进程
硬实时任务(差一点，都要发生灾难的）的实时系
处
统中，必须采用抢占机制，以满足硬实时任务对
理 机
截止时间的要求。
调
度
与
死
锁
30
条件4. 具有快速切换机制
为保证及时运行，实时系统应具有快速切换机
处 制，以保证能进行任务的快速切换。有两方面能力：
理
机 调 度 与
对外部中断的快速响应能力
为使在紧迫事件的请求能及时响应，要求系统具有快 速硬件中断机构，还应使禁止中断的时间间隔尽量短， 以免耽误时机(紧迫任务)。
处 理 1. 最早截止时间优先(EDF, Earliest Deadline First)算法
机
非抢占式调度方式用于非周期实时任务
调
抢占式调度方式用于周期实时任务
度
P99
与 死
2. 最低松弛度优先 (LLF,Least Laxity First)算法
处 在作业调度中，是从后备作业队列中选择一个或多
理
个最先进入该队列的作业，调入内存，分配资源、
机
创建进程，放入就绪队列。
调 度 与
在进程调度中，是从就绪队列中选择一个最先进入
队列的进程，分配处理机使之运行。进程则一直运 行到完成或发生某事件而阻塞后才放弃处理机。
死 锁
特点：
① 比较有利于长作业(进程)，而不利于短作业(进程) 。 ② 有利于CPU繁忙的作业，而不利于I/O繁忙的作业。
理
基本原理 所有就绪进程按先来先服务(FCFS)的
机
原则排成一个队列，每次调度时，把CPU分配给
调
队首进程，并令其执行一个时间片后停止执行，
度
进行进程调度(例子)
与 死
时间片大小的确定
锁
对响应时间的要求
就绪队列中进程的数目
系统的处理能力
22
2. 多级反馈队列调度算法
时间片轮转算法和优先级算法的综合和发展
14
：
在创建进程时确定的，在整个运行期间
静态优先权
不再改变。 依据有：进程类型、进程对资源的要求、
用户要求的优先权。
动态优先权是基于某种原则，使进程的
动态优先权
优先权随时间改变而改变。
譬如轮转法
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2. 高响应比优先调度算法
作业的优先级，随着等待时间的增加以速率a提高；则长
处 作业在等待一定时间后，必有机会分配到处理机。 理 优先权的变化规律：
死 端型作业一样。对稍长的作业，也只需在第二队列和第三队列
锁 各执行一个时间片即可完成，其周转时间仍然较短。
(3)长批处理作业用户。对于长作业，它将依次在第1，
2，…，n个队列中运行，然后再按轮转方式运行，用户不必担 心其作业长期得不到处理。Βιβλιοθήκη 243.4 实时调度处
理
机 调
3.4.1 实现实时调度的基本条件
理 任务难及时处理，导致发生难以预料的后果。
机
调 度
假定系统有m个周期性的硬实时任务，它们的处理
与 时间表示为Ci，周期时间表示为Pi，则单处理机情况
死 下，必须满足下面的限制条件,系统才是可调度的：
锁
m Ci 1
P i1 i
28
假如系统中有6个硬实时任务，它们的周期时间都是
50 ms，而每次的处理时间为 10 ms，则此时是不能满足上
又称在虚拟存储器中引入，在内、外存对换区进 行进程对换。
3
1. 仅有进程调度的调度队列模型
处
理
机 交互用户
调
度
事
与 死
件 出 现
锁
时间片完 就绪队列 阻塞队列
进程调度
进程完成
CPU
等待事件
图 仅具有进程调度的调度队列模型
4
2. 具有高级、低级调度的调度队列模型
作业
处
调度
理 后备队列
机
调
事件1出现
第三章 处理机调度与死锁
处
3.1 处理机调度的层次和调度算法的目标
理 机 调
3.2 作业与调度算法 3.3 进程调度
度
3.4 实时调度
与
死
3.5 死锁概述
锁
3.6 预防死锁
3.7 避免死锁
3.8 死锁的检测与解除
1
3.1 处理机调度的层次
处
理 机
3.1.1 高级调度
调 度
3.1.2 低级调度
与 死
死
锁
快速的任务分派能力
为提高分派程序进行任务切换的速度，系统中的每个
运行功能单位适当地小，以减少任务切换的时间开销。
31
3.4.2 实时调度算法的分类
任务性质：硬实时调度算法和软实时调度算法
处 理 机
调度方式：非抢占调度算法和抢占调度算法 调度时间：静态调度算法和动态调度算法 多处理机环境：集中式调度和分布式调度算法