操作系统—资源分配与调度

5.4 死锁
设进程I提出请求Request[N]，则银行家算法按如下规则进 行判断。 (1)如果Request[N]<=Need[I，N]，则转(2)；否则，出错。 (2)如果Request[N]<=Available，则转(3)；否则，出错。 (3)系统试探分配资源，修改相关数据： Available = Available -Request Allocation=Allocation+ Request Need=Need-Request (4)系统执行安全性检查，如安全，则分配成立；否则试探险 性分配作废，系统恢复原状，进程等待。
5.4 死锁
• 5.4.5 死锁的预防和避免 • 有序资源分配法(避免死锁，p134)：所有的资源类都给定一个 唯一的序号（如打印机为1，阅读机为2），分配请求必须以 上升的次序进行；而且同一类型的资源必须一次申请完。 • 优点：提高了资源利用率（p1使用完打印机后p2便可申请占 用） • 缺点：进程实际需要资源未必与编号一致。 实质：破坏了死锁的环路条件 分配 R1 申请 申请1 R1 申请1 p2 R2 不导致死锁
3.
4.
不剥夺条件：进程占有的资源，不能被其他进程强行剥夺
环路条件：在进程与资源有向图中，存在有向环。
只要其中一条不成立，死锁就不会发生
5.4 死锁
• 5.4.4 解决死锁的策略 基本点：破坏死锁的某一个必要条件
思考：破坏哪些必要条件是可行的呢？ 1. 互斥条件 2. 不剥夺条件 3. 部分分配 4. 环路条件
5.1 资源管理概述
• • • • • 5.1.2 资源的分类方法（p120） 物理资源与程序资源 单一访问入口资源和多访问入口的资源 等同资源 虚拟资源
5.1 资源管理概述
• • • • 5.1.3 资源管理的机构和策略（p121） 机构：操作系统实现资源管理的部分 策略：关于这部分操作系统的具体设计 注意：由于每种资源具有各自的特点， 分配的机制和策略不尽相同，本章主要 从资源的一般共性出发，着重讨论资源 分配的一般机制和策略，具体的实施将 在后续各章中陆续展开讨论。
(如处理机的分配)。
5.3 资源分配策略
• 1. 2. 3. 资源分配策略的总原则： 保证紧急事务优先处理 保证低级事务得到处理 保证轻量事务及时处理
5.4 死锁
• 5.4.1 死锁的概念 • 死锁是一个较为复杂的概念，在讲这个概念之 前，先看一些例子。 • 例1：网上交易支付问题 • 卖方与买方谈妥后，买方交付了60%的货款， 然后卖方向买方发货。当收到货物后，买方不 满意货物提出退货，然而卖方认为理由不合理， 不予退货。交易无法推进下去。 • 思考：你认为应该怎样解决？
5.3 资源分配策略
• 5.3.3 优先调度：系统对每个进程(或作业)，都指定一个优先级 以反映请求资源的紧迫程度 • 排序原则：按优先级的高低排序。即：新产生的请求，按其优先
级的高低插入到队列中相应的位置。
• 优点：系统可进行干预，以优化资源的使用方式 • 缺点：插入时要搜索队列、有时无法用队列实现，另外如何合理 地分配优先级也是一个问题。 • 适用的资源：由于系统开销较大，主要用于系统中的紧缺资源
5.1 资源管理概述
• • 1. 2. 3. 5.1.1 资源管理的目的和任务 资源管理的目标（从它的反面谈起） 高效（例：CPU的利用） 合理（例：内存的分配） 安全（例：网络访问，死锁）
5.1 资源管理概述
• • 1. 2. 3. 4. 5.1.1 资源管理的目的和任务 资源管理的任务 资源数据结构的描述 确定资源的分配原则和调度原则 执行资源分配 存储控制和安全保护
(2) 进程推进的顺序不合理
(资源的使用方式、及占有资源的顺序)
练习：p137，5-4
5.4 死锁
• 5.4.2 死锁的起因 • 例：对打印机（R1）-输出机（R2）死 锁问题的解释
分配 R1 申请 p2 分配
p1 申请
R2
5.4 死锁
• 5.4.2 死锁的起因 死锁的必要条件： 1. 2. 互斥条件：涉及的资源为临界资源 部分分配：进程每次仅申请所需资源的一部分，在占有资源以 后，还会继续申请新的资源，只有不满足才等待。
5.2 资源分配机制
• • • • • 5.2.1 资源描述器 资源描述器的组织方式： 表：适合于分配单位数量固定不变 队列：适合于分配单位数量是变化的 最大数组法：适合于分配单位的最大数 量是已知的。如一个硬盘空间是不变的， 当确定最小分配单位后，便可生成所有 的资源描述器。
5.2 资源分配机制
第五章 资源分配与调度
5.1 资源管理概述
• 5.1.1 资源管理的目的和任务 • 什么是资源？ • 资源包括硬件资源和软件资源。是指执 行一个用户程序所需要的全部硬件设备、 软件设施和数据。
5.1 资源管理概述
• 5.1.1 资源管理的目的和任务 • 什么是资源管理？ • 根据不同资源的不同特点，按用户要求 对资源实行合理的分配，监察资源的使 用情况，回收空闲资源，并保护资源不 受非法使用。
5.4 来自百度文库锁
• 5.4.3 解决死锁的策略
1. 互斥条件：由硬件本身性质决定了难于否定该条
件。
5.4 死锁
• 5.4.3 解决死锁的策略
2．不剥夺条件：很容易否定。但是：
（1）否定该条件是在发生了死锁之后。 （2）并且需要保护和恢复被剥夺的进程现场。 （3）不是所有资源都可以剥夺的（如正在打印的打印 机） 思考：更重要的是，要防死锁于未然。
5.4 死锁
安全性检查 (1)设置两个工作向量Work=Available；Finish[M]=False (2)从进程集合中找到一个满足下述条件的进程， Finish[i]=False Need<=Work 如找到，执行(3)；否则，执行(4) (3)设进程获得资源，可顺利执行，直至完成，从而释放资源。 Work=Work+Allocation Finish=True goto 2 (4)如所有的进程Finish[M]=true，则表示安全；否则系统不安全。 银行家算法示例
5.3 资源分配策略
• 5.3.1 概述 • 在其他条件不变的情况下，吞吐率与响应时间 往往存在矛盾的，即以牺牲响应时间来获取高 吞吐率，或以牺牲吞吐率来获取短响应时间。 系统设计时需要根据应用环境作出平衡。
A B A
A
B
A
B
5.3 资源分配策略
• 5.3.2 先请求先服务 ( FIFO — First In First Out) • 排序原则：按请求的先后次序排序。即：新产生的请 求均排在队尾，分配时在队首。 • 适用范围：系统中的一切资源。 • 优点：简单、次序不会改变、系统开销小 。 • 缺点：未对请求特征、占用资源时间长短等因素加以 考虑，不利于短作业，系统无法进行干预。
5.2 资源分配机制
• 5.2.1 资源描述器（resource descriptor ，RD ） • 资源描述器（表5.1，p121）：描述资源的数据结构。
操作系统通过这些数据结构而感知到资源的存在，并
对资源进行管理。 • 最小分配单位：某一类资源根据需要划分为不可再分 割的基本分配单位。一个最小分配单位通过一个资源 描述器加以描述。
mutex=1; full=0; empty=n;
p1 ( ) p2 ( ) { while(生产未完成) { while(还要继续消费) { ．．． { p(mutex)； 生产一个产品； p(full)； p(empty)； 从缓冲区中取产品； p(mutex)； v(mutex)； 送一个产品到缓冲区； v(empty)； v(mutex)； ．．． v(full)； 消费一个产品； }} }}
5.4 死锁
假设有n个进程m类资源，则有如下数据结构： 可利用资源向量Available。这是一个含有m个 元素的数组，其中的 每一个元素代表一类可利用的资源数目，其初始值是系统中所配置的该 类全部可用资源的数目，其数值随该类资源的分配和回收而动态地改变。 Available[j]=K，则表示系统中现有Rj 类资源K个。 最大需求矩阵Max。这是一个n*m的矩阵，它定义了系统中n个进程 中的每一个进程对m类资源的最大需求。如果Max[i，j]=K，则表示进程 i需要Rj类资源的最大数目为K。 分配矩阵Allocation。这也是一个n*m的矩阵，它定义了系统中每一 类资源 当前已分配给每一进程的资源数。如果Allocation[i，j]=K，则表 示 进程i当前已分得Rj类资源的数目为K。 需求矩阵Need。这也是一个n*m的矩阵，用以表示每一个进程尚需 的各类资源数。如果Need[i,j]=K，则表示进程i还需要Rj类资源K个，方 能完成其任务。 上述三个矩阵存在如下关系： Need[i,j]= Max[i，j]- Allocation[i，j]
5.4 死锁
考研真题： 09年 选择题25 11年 选择题27 12年 选择题27 13年 选择题32
• • 1. 2. 3. 5.2.2 资源信息块（rib）（p122，图5.1） 资源信息块包含如下内容： 等待进程队列 可利用资源队列 资源分配程序入口地址
5.3 资源分配策略
• • • • 5.3.1 概述 资源分配的两个目标： 吞吐率：在单位时间内完成工作量的量度。 响应时间：提交请求和返回该请求的响应之间 所使用的时间。 • 吞吐率和响应时间是服务系统（如：数据库服 务器、web服务器等）的两个最为重要的评价 指标，所追求的目标就是高吞吐率和短响应时 间。
5.4 死锁
3．部分分配：很容易否定，由此得到静态预防死锁。 4．环路条件：可以否定。由此得到有序资源分配法。
5.4 死锁
• 5.4.5 死锁的预防和避免 • 静态预防死锁：在作业调度时，为选中的作业分配它所需要
的所有临界资源在该作业的整个运行期间，这些资源都为它
独占。
实质：破坏了死锁必要条件中的部分分配 缺点： • 降低了设备的利用率(只用很短时间，或根本不用) • 造成不必要的等待 • 用户可能提不出所需的全部资源
5.4 死锁
• 5.4.1 死锁的概念 • 在两个或多个并发进程中，如果每个进程都持有某种
资源，而又都同时等待着别的进程释放它们保持着的
资源否则就不能向前推进。称这一组进程产生了死锁。
• 思考：是什么导致了死锁？是因为进程间的竞争吗？
5.4 死锁
• 5.4.2 死锁的起因
(1) 系统的资源总数＜∑各进程的资源总需求
p1
申请 R2 导致死锁 分配
p2
p1
申请2
申请2
5.4 死锁
• 小结：处理死锁的四种策略 1．检测死锁并恢复 2．静态预防死锁 3．有序的分配资源 4．忽略死锁（鸵鸟算法）
5.4 死锁
• 银行家算法（避免死锁） 当进程申请一组资源时，需要检查申请者对 资源的最大需求量，如果系统现存的各类资源的 数量满足当前它对各类资源的最大需求量时，则 满足其申请； 否则，进程必须等待，直到其他进程释放足够的 资源为止。 即：仅当申请者可以在一定时间内无条件的 归还它所申请的全部资源时，才进行资源分配。
5.4 死锁
• 5.4.1 死锁的概念 • 例3：设系统只有一台打印机(R1)，和一台光标记阅 读机(R2) ，由进程p1、p2 共享。用信号灯的P、V操 作，控制资源的申请和释放。其信号灯的设置为： s1：表示R1是否可用，初值为1。
s2：表示R2是否可用，初值为1。
进 程 P1 p(s1) ；申请R1 p(s2) ；又申请R2 ．．． v(s1) ；释放R1 ．．． v(s2) ；释放R2 进 程 P2 p(s2)；申请R2 p(s1)；又申请R1 ．．． v(s2)；释放R2 ．．． v(s1)；释放R1
5.4 死锁
• 例2：十字路的交通问题 （练习题 P138 5-7） • 思考：它们是如何导致死锁的？
5.4 死锁
例2：回顾：生产者－消费者问题 消费者在未检查缓冲区是否为空的时候便申请了读写许可mutex， 当缓冲区为空时，消费者需要等生产者生产产品，然而生产者同 样因为在等待消费者释放缓冲区而陷入了死锁。