第五章 操作系統(tǒng)的資源管理-概述

1、湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷第五章第五章 操作系統(tǒng)的資源管理操作系統(tǒng)的資源管理5.1 5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略5.2 死鎖及其解決方法5.3 處理機(jī)管理5.4 主存管理5.5 設(shè)備管理5.6 文件系統(tǒng)湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷5.1 5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源管理概述資源管理概述資源分配機(jī)制資源分配策略5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷5.1 5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源管理概述資源管理概述資源分配機(jī)制資源分配策略5.

2、1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷一、資源管理的目的和任務(wù)資源管理的目的和任務(wù)保證資源的高利用率；在“合理”時間內(nèi)使所有顧客有獲得所需資源的機(jī)會；對不可共享的資源實施互斥使用；防止由資源分配不當(dāng)而引起的死鎖。5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源管理概述資源管理概述湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷一、資源管理的目的和任務(wù)一、資源管理的目的和任務(wù)對資源的管理應(yīng)包括以下幾個方面：對資源的管理應(yīng)包括以下幾個方面：資源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述資源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述包含資源的物理名、邏輯名、類型、地址、分配狀態(tài)等信息，以及對該資源

3、的存取權(quán)限、密級、最后一次存取時間、記賬信息及該類資源使用的特性等。確定資源的分配原則確定資源的分配原則 ( (調(diào)度原則調(diào)度原則)決定資源應(yīng)分給誰，何時分配，分配多少等問題。執(zhí)行資源分配執(zhí)行資源分配執(zhí)行資源分配、資源收回工作。存取控制和安全保護(hù)存取控制和安全保護(hù) 對資源的存取進(jìn)行控制并對資源實施安全保護(hù)措施（在文件系統(tǒng)或信息管理中最為突出）。5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源管理概述資源管理概述湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷二、資源的分類方法二、資源的分類方法根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，對資源可以進(jìn)行以下分類：l物理資源和程序資源物理資源和程序資源物理資源物理資源是指計

4、算機(jī)系統(tǒng)中的各種硬件資源，如CPU、主存、各種外部設(shè)備等；程序資源程序資源是指即計算機(jī)系統(tǒng)中的各種軟件資源，如消息、程序等。l單一訪問入口的資源和多訪問入口的資源單一訪問入口的資源和多訪問入口的資源單一訪問入口的資源單一訪問入口的資源是指任意時刻最多只能被一個用戶訪問的資源，如打印機(jī)、磁帶機(jī)等；多訪問入口的資源多訪問入口的資源是指可以被多個用戶同時訪問的資源，如磁盤、被允許讀出的公用文件等。5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源管理概述資源管理概述湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷二、資源的分類方法二、資源的分類方法根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，對資源可以進(jìn)行以下分類：l等同資源

5、等同資源對某類資源，可能有多個完全相同的設(shè)備，在某些條件下，在這些設(shè)備之間到底選用哪些設(shè)備，用戶并無要求。在這種情況下，這些設(shè)備被說成是等同的等同的。l虛擬資源虛擬資源虛擬資源虛擬資源是用戶使用的邏輯資源，是操作系統(tǒng)將物理資源改造后，呈獻(xiàn)給用戶的可供使用的資源。目的：目的：方便用戶使用；資源可動態(tài)分配，提高資源利用率 5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源管理概述資源管理概述湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷5.1 5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源管理概述資源分配機(jī)制資源分配機(jī)制資源分配策略5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略湖北工業(yè)

6、大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷機(jī)機(jī)制制指的是進(jìn)行資源分配所必需的基礎(chǔ)設(shè)施和部件。包括：包括：1.描述資源狀態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：如資源信資源信息塊息塊（描述各類資源）、資源描述器資源描述器（描述各類資源中最小分配單位）；2.保證不可共享資源互斥使用的同步機(jī)構(gòu)同步機(jī)構(gòu)；3.對不能立即得到滿足的資源請求進(jìn)入排隊的各種資源隊列的結(jié)構(gòu)資源隊列的結(jié)構(gòu)。5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源分配機(jī)制資源分配機(jī)制湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷描述各類資源的最小分配單位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為資源描述器資源描述器 rd(resource descriptor)rd(resour

7、ce descriptor)。如：主存以主存塊為單位進(jìn)行分配；磁盤以扇區(qū)為最小分配單位；文件系統(tǒng)以文件為最小分配單位。資源描述器包含內(nèi)容包含內(nèi)容：資源名、資源類型、最小分配單位的大小、地址、分配標(biāo)志、描述器鏈接信息、存取權(quán)限、密級、存取時間 20KB 0 52KB66KB130KB230KB256KB 1主存主存作業(yè)作業(yè)4作業(yè)作業(yè)1作業(yè)作業(yè)3OS5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源分配機(jī)制資源分配機(jī)制注：注：對于各類資源，若它具有若干個（n個）資源分配單位，則有n個資源描述器。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷資源信息塊資源信息塊描述某類資源的請求者、可用資源和

8、該類資源分配程序的地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)成為資源信息塊資源信息塊rib(resource information rib(resource information block)block)。 資源信息塊內(nèi)容資源信息塊內(nèi)容 請求者隊列請求者隊列可利用資源隊列可利用資源隊列資源分配程序資源分配程序資源等待隊列頭指針資源等待隊列頭指針可利用資源隊列頭指針可利用資源隊列頭指針資源分配程序入口地址資源分配程序入口地址5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源分配機(jī)制資源分配機(jī)制資源分配程序資源分配程序包括分配程序分配程序和回收程序回收程序兩部分。當(dāng)進(jìn)程請求當(dāng)進(jìn)程請求資源時資源時，控制轉(zhuǎn)到相應(yīng)的資源分配

9、程序，檢索可利用資源隊列，若有可利用的資源，則予以分配；否則將此進(jìn)程加入到等待資源隊列中。當(dāng)進(jìn)程釋放資源時當(dāng)進(jìn)程釋放資源時，控制轉(zhuǎn)到回收程序，將釋放的資源加入到可利用資源的隊列中，然后試著釋放等待該資源的進(jìn)程。湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷中央處理機(jī)資源信息塊內(nèi)容中央處理機(jī)資源信息塊內(nèi)容 pcb1pcb2pcbk進(jìn)程調(diào)度程序進(jìn)程調(diào)度程序ready-q-start可用處理機(jī)信息可用處理機(jī)信息scheduler-addrcpu5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源分配機(jī)制資源分配機(jī)制湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷5.1 5.1 資源管理的機(jī)制與策略

10、資源管理的機(jī)制與策略資源管理概述資源分配機(jī)制資源分配策略資源分配策略5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷資源分配有兩種方式：靜態(tài)分配和動態(tài)分配資源的靜態(tài)分配資源的靜態(tài)分配系統(tǒng)對作業(yè)一級分配采用方式 系統(tǒng)在調(diào)度作業(yè)時，根據(jù)作業(yè)所需資源進(jìn)行分配；并在作業(yè)運行完畢時，收回所分配的全部資源。這種分配通常稱為資源的靜態(tài)分配。資源的動態(tài)分配資源的動態(tài)分配系統(tǒng)對進(jìn)程一級分配采用方式 系統(tǒng)在進(jìn)程運行中，根據(jù)進(jìn)程提出的資源需求，進(jìn)行資源的動態(tài)分配和回收。這種分配通常稱為資源的動態(tài)分配。5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源分配策略資源分配

11、策略效率低效率低效率高，易死鎖效率高，易死鎖湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷先請求先服務(wù)（FIFO）（2）優(yōu)先調(diào)度（3）針對設(shè)備特性的調(diào)度5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源分配策略資源分配策略湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷（1 1）先請求先服務(wù)）先請求先服務(wù)FIFOFIFO每一個新產(chǎn)生的請求均排在隊尾；當(dāng)資源可用時，取隊首元素，并滿足其需要。 排序原則：排序原則：按請求的先后次序排序。 表頭表頭按請求的先后次序按請求的先后次序先先后后按自然順序排列的隊列按自然順序排列的隊列5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源分配策略資源分配策

12、略優(yōu)點：優(yōu)點：算法簡單，易于實現(xiàn)。 缺點：缺點：不夠靈活。可用于可用于：進(jìn)程或作業(yè)調(diào)度，及外設(shè)、內(nèi)存的分配。湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷（2 2）優(yōu)先調(diào)度）優(yōu)先調(diào)度對每一個進(jìn)程指定一個優(yōu)先級；每一個新產(chǎn)生的請求，按其優(yōu)先級的高低插到相應(yīng)的位置；當(dāng)資源可用時，取隊首元素，并滿足其需要。 排序原則：排序原則：按優(yōu)先級的高低排序。 表頭表頭按按優(yōu)先級的高低排序按按優(yōu)先級的高低排序高高低低按優(yōu)先級高低排列的就緒隊列按優(yōu)先級高低排列的就緒隊列5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源分配策略資源分配策略優(yōu)點：優(yōu)點：靈活缺點：缺點：算法較復(fù)雜湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大

13、學(xué)理學(xué)院楊曉艷（3 3）針對設(shè)備特性的調(diào)度策略）針對設(shè)備特性的調(diào)度策略主要討論對磁盤的調(diào)度主要討論對磁盤的調(diào)度磁盤空間是一個三維空間，磁盤上的每個盤區(qū)均由柱面號（亦稱磁道號）、盤面號（亦稱磁頭號）、扇區(qū)號三部分組成。5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源分配策略資源分配策略湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷磁盤訪問的時間由下述3個時間組成：（1 1）尋道時間尋道時間磁頭從當(dāng)前位置移到所需柱面花費的時間。（2 2）旋轉(zhuǎn)等待時間）旋轉(zhuǎn)等待時間欲訪問的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所花費的時間。（3 3）讀寫時間）讀寫時間讀寫當(dāng)前扇區(qū)數(shù)據(jù)所花費的時間。5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管

14、理的機(jī)制與策略資源分配策略資源分配策略湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷調(diào)度的目標(biāo)調(diào)度的目標(biāo) 當(dāng)有大量I/O請求時，降低完成這些I/O服務(wù)的總時間。 例：例：對磁盤訪問有如下5個請求（若當(dāng)前移動臂處于1號柱面）。柱面號 盤面號 塊號 5 2 1 5 3 8 5 3 5 40 6 3 2 7 75.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源分配策略資源分配策略湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷移臂調(diào)度移臂調(diào)度總是選取與當(dāng)前移動臂前進(jìn)方向上最近的那個I/O請求，使移臂距離最短。上例：上例：對磁盤訪問的5個請求應(yīng)作如下調(diào)度柱面號柱面號 盤面號盤面號 塊號塊號 2 7

15、 7 5 2 1 5 3 8 5 3 5 40 6 3 5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源分配策略資源分配策略湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷旋轉(zhuǎn)調(diào)度旋轉(zhuǎn)調(diào)度總是選取與當(dāng)前讀寫頭最近的那個I/O請求，使旋轉(zhuǎn)圈數(shù)最少。上例：上例：對磁盤訪問的5個請求應(yīng)作如下調(diào)度柱面號柱面號 盤面號盤面號 塊號塊號 2 7 7 5 2 1 5 3 5 5 3 8 40 6 3 5.1 資源管理的機(jī)制與策略資源管理的機(jī)制與策略資源分配策略資源分配策略湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷第五章第五章 操作系統(tǒng)的資源管理操作系統(tǒng)的資源管理5.1 資源管理的機(jī)制與策略5.2

16、5.2 死鎖及其解決方法死鎖及其解決方法5.3 處理機(jī)管理5.4 主存管理5.5 設(shè)備管理5.6 文件系統(tǒng)湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷15 例例 進(jìn)程進(jìn)程 p1、p2共享一臺打印機(jī)和一臺輸入機(jī)共享一臺打印機(jī)和一臺輸入機(jī) 時刻時刻 t1：進(jìn)程：進(jìn)程 p1 占用打印機(jī)，占用打印機(jī)， 進(jìn)程進(jìn)程 p2 占用輸入機(jī)；占用輸入機(jī)； 時刻時刻 t2：進(jìn)程：進(jìn)程 p1 又請求又請求輸入機(jī)，輸入機(jī)， 進(jìn)程進(jìn)程 p2 又請求打印機(jī)。又請求打印機(jī)。 一、死鎖的概念一、死鎖的概念5.2 死鎖及其解決方法死鎖及其解決方法湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷15l用信號燈的用信號燈的P P

17、、V V操作描述死鎖操作描述死鎖 例例 設(shè)進(jìn)程p1與進(jìn)程p2共享一臺打印機(jī)(r1) 和一臺輸入機(jī)(r2)，用信號燈的p、v操作表示資源的申請和釋放。 信號燈設(shè)置信號燈設(shè)置 s1：表示r1可用，初值為1 s2：表示r2可用，初值為1討論兩種資源請求序列，哪種情況可能產(chǎn)生互相死等的局面。5.2 死鎖及其解決方法死鎖及其解決方法湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷17 進(jìn)程進(jìn)程p1 進(jìn)程進(jìn)程p2 進(jìn)程進(jìn)程p1 進(jìn)程進(jìn)程p2 p(s1)； p(s2)； p(s1)； p(s2)； 占用占用r1 占用占用r2 占用占用r1 占用占用r2 v(s1)； v(s2)； p(s2)； p(s1)；

18、 又占用又占用r2 又又占用占用r1 p(s2)； p(s1)； 占用占用r2 占用占用r1 v(s1)； v(s2)；v(s2)； v(s1)； v(s2)； v(s1)； 5.2 死鎖及其解決方法死鎖及其解決方法湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷18在兩個或多個并發(fā)進(jìn)程中，如果每個進(jìn)程持有某種資源而又都等待著別的進(jìn)程釋放它或它們現(xiàn)在保持著的資源，否則就不能向前推進(jìn)。此時，稱這一組進(jìn)程產(chǎn)生了死鎖死鎖。二、二、 死鎖的起因和條件死鎖的起因和條件系統(tǒng)資源不足進(jìn)程推進(jìn)順序非法5.2 死鎖及其解決方法死鎖及其解決方法湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷195.2 死鎖及其解

19、決方法死鎖及其解決方法湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷195.2 死鎖及其解決方法死鎖及其解決方法R1R2P1P2P表示進(jìn)程進(jìn)程，R表示資源資源。P到R的有向邊表示資源請求資源請求邊邊；R到P的有向邊表示資源資源分配邊分配邊。只要該有向圖中有環(huán)就說明這一組進(jìn)程發(fā)生了死鎖。只要該有向圖中有環(huán)就說明這一組進(jìn)程發(fā)生了死鎖。湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷20互斥條件互斥條件涉及的資源是非共享的，即為臨界資源。不剝奪條件不剝奪條件進(jìn)程所獲得的資源在未使用完畢之前，不能被其他進(jìn)程強(qiáng)行奪走。部分分配部分分配進(jìn)程每次申請它所需要的一部分資源。在等待一新資源的同時，進(jìn)程繼續(xù)占用

20、已分配到的資源。環(huán)路條件環(huán)路條件存在一個等待進(jìn)程集合p0,p1, , pn，p0在等待p1占有的資源，p1等待一個p2占有的資源，pn正在等待p0占有的一個資源。由這些進(jìn)程及請求(分配)的資源構(gòu)成了一個”進(jìn)程資源”有向循環(huán)圖。5.2 死鎖及其解決方法死鎖及其解決方法湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷22三、系統(tǒng)狀態(tài)分析三、系統(tǒng)狀態(tài)分析初始狀態(tài)描述初始狀態(tài)描述假定一個系統(tǒng)包括n個進(jìn)程和m類資源，表示如下：一組確定的進(jìn)程集合，記作：p=p1,p2,pi,pn一組不同類型的資源集合，記作：r=r1,r2,ri,rm矢量w說明各類可利用資源的總的數(shù)目w=w1,w2,wi,wm5.2 死鎖

21、及其解決方法死鎖及其解決方法湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷22資源請求矩陣資源請求矩陣在時刻t資源請求矩陣，表示如下：dij表示進(jìn)程pi還需要j類資源的數(shù)目。5.2 死鎖及其解決方法死鎖及其解決方法d(t)= d11,d12,d1md21,d22,d2m dn1,dn2,dnm湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷22資源分配矩陣資源分配矩陣在時刻t資源分配矩陣，表示如下：aij表示進(jìn)程pi已占有j類資源的數(shù)目。5.2 死鎖及其解決方法死鎖及其解決方法a(t)= a11,a12,a1ma21,a22,a2m an1,an2,anm什么情況下系統(tǒng)安全？什么情況下系統(tǒng)安

22、全？當(dāng)進(jìn)程請求某類資源的時候，進(jìn)程對該類資源的需求量小進(jìn)程對該類資源的需求量小于當(dāng)前時刻系統(tǒng)所擁有的該類資源的數(shù)目于當(dāng)前時刻系統(tǒng)所擁有的該類資源的數(shù)目，那么滿足進(jìn)程的這次請求，系統(tǒng)是安全的。湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷22四、解決死鎖問題的策略四、解決死鎖問題的策略解決死鎖的策略解決死鎖的策略采用靜態(tài)資源分配方法預(yù)防死鎖預(yù)防死鎖采用資源動態(tài)分配、有控分配方法避免死鎖避免死鎖死鎖的檢測與修復(fù)如撤消或掛起一些進(jìn)程（代價高）（代價高）忽略死鎖重啟系統(tǒng)5.2 死鎖及其解決方法死鎖及其解決方法湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院楊曉艷23五、死鎖的預(yù)防五、死鎖的預(yù)防靜態(tài)預(yù)防死鎖的方法靜態(tài)預(yù)防死鎖的方法在作業(yè)調(diào)度時為選中的作業(yè)分配它所需要