處理機調(diào)度和死鎖

處理機調(diào)度和死鎖處理機調(diào)度與死鎖(SchedulingandDeadlock)教學(xué)目的：在多道程序系統(tǒng)中，一個作業(yè)從提交到執(zhí)行完成，要經(jīng)歷多級調(diào)度，調(diào)度的好壞要影響系統(tǒng)的運行性能，因此調(diào)度是多道系統(tǒng)的關(guān)鍵。為了改善系統(tǒng)資源的利用率和提高系統(tǒng)處理能力，多道程序系統(tǒng)中采用多個進程的并發(fā)執(zhí)行，但它也可能發(fā)生死鎖的危險，研究死鎖的原因和產(chǎn)生條件，采用預(yù)防死鎖、避免死鎖、檢測死鎖和解除死鎖等多種方法防止死鎖是多道程序系統(tǒng)重要的研究課題。教學(xué)要求：熟悉處理機三級調(diào)度概念和處理機調(diào)度模型，掌握作業(yè)的狀態(tài)和作業(yè)調(diào)度的功能。掌握進程調(diào)度的方式和功能，熟悉調(diào)度方式和算法的選擇準則，掌握各種調(diào)度算法及適合范圍。掌握死鎖的定義和產(chǎn)生死鎖的原因，掌握死鎖的四個必要條件；熟悉預(yù)防死鎖的方法，熟練掌握銀行家算法及其在死鎖避免中的應(yīng)用；掌握資源分配圖的簡化及其死鎖定理，熟悉解除死鎖的方法。3.1處理機調(diào)度的層次

高級調(diào)度

1．作業(yè)和作業(yè)步

(1)作業(yè)(Job)。作業(yè)是一個比程序更為廣泛的概念，它不僅包含了通常的程序和數(shù)據(jù)，而且還應(yīng)配有一份作業(yè)說明書，系統(tǒng)根據(jù)該說明書來對程序的運行進行控制。在批處理系統(tǒng)中，是以作業(yè)為基本單位從外存調(diào)入內(nèi)存的。

(2)作業(yè)步(JobStep)。通常，在作業(yè)運行期間，每個作業(yè)都必須經(jīng)過若干個相對獨立，又相互關(guān)聯(lián)的順序加工步驟才能得到結(jié)果，我們把其中的每一個加工步驟稱為一個作業(yè)步，各作業(yè)步之間存在著相互聯(lián)系，往往是把上一個作業(yè)步的輸出作為下一個作業(yè)步的輸入。例如，一個典型的作業(yè)可分成三個作業(yè)步：①“編譯”作業(yè)步，通過執(zhí)行編譯程序?qū)υ闯绦蜻M行編譯，產(chǎn)生若干個目標程序段；②“連結(jié)裝配”作業(yè)步，將“編譯”作業(yè)步所產(chǎn)生的若干個目標程序段裝配成可執(zhí)行的目標程序；③“運行”作業(yè)步，將可執(zhí)行的目標程序讀入內(nèi)存并控制其運行。

(3)作業(yè)流。若干個作業(yè)進入系統(tǒng)后，被依次存放在外存上，這便形成了輸入的作業(yè)流；在操作系統(tǒng)的控制下，逐個作業(yè)進行處理，于是便形成了處理作業(yè)流。

作業(yè)調(diào)度作業(yè)運行狀態(tài)外存

外存(盤)交換區(qū)作業(yè)后備狀態(tài)作業(yè)提交狀態(tài)作業(yè)完成狀態(tài)終止作業(yè)就緒態(tài)阻塞態(tài)主存

進程調(diào)度運行態(tài)就緒態(tài)阻塞態(tài)調(diào)出調(diào)進作業(yè)的狀態(tài):

作業(yè)從進入到運行結(jié)束，一般需要經(jīng)歷“提交”、“后備”、“運行”和“完成”四個階段。提交狀態(tài)一個作業(yè)被提交給機房后正在通過SPOOLing系統(tǒng)進行輸入或用戶通過終端向計算機中鍵入其作業(yè)時所處于的狀態(tài)為提交狀態(tài)。后備狀態(tài)作業(yè)已經(jīng)過SPOOLing系統(tǒng)輸入到磁盤輸入井，等待調(diào)入內(nèi)存運行，此時作業(yè)處于后備狀態(tài)。為了管理和調(diào)度作業(yè)，為每個作業(yè)設(shè)置一個作業(yè)控制塊（JCB）。作業(yè)控制塊記錄了作業(yè)類型和資源要求等有關(guān)信息。作業(yè)控制塊按作業(yè)類型組成一個或多個后備作業(yè)隊列。運行狀態(tài)一個在后備作業(yè)隊列的作業(yè)被作業(yè)調(diào)度程序選中后，分配必要的資源，建立一組相應(yīng)的進程后，調(diào)入內(nèi)存，該作業(yè)就進入運行狀態(tài)。進程各狀態(tài)（進程運行態(tài)、內(nèi)存進程就緒態(tài)、內(nèi)存阻塞態(tài)、外存進程就緒態(tài)、外存進程阻塞態(tài)等）都對應(yīng)作業(yè)運行狀態(tài)。完成狀態(tài)當進程正常運行結(jié)束或因發(fā)生錯誤而終止時，作業(yè)進入完成狀態(tài)。終止作業(yè)程序?qū)⒇撠?zé)善后處理。作業(yè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換:作業(yè)調(diào)度作業(yè)調(diào)度程序按一定算法從后備作業(yè)隊列中選一個滿足資源要求的作業(yè)，分配它所要求的資源，建立一組相應(yīng)的進程，設(shè)置該進程狀態(tài)為就緒態(tài)，并將該進程插入內(nèi)存就緒隊列，參加CPU爭奪。終止作業(yè)當進程正常運行結(jié)束或因發(fā)生錯誤終止時，調(diào)用終止作業(yè)程序，它負責(zé)將輸出文件緩沖輸出到輸出井，并調(diào)用SPOOLing系統(tǒng)輸出進程將作業(yè)輸出文件在打印機輸出。同時回收作業(yè)所使用內(nèi)、外存、I/O設(shè)備等各種資源，最后調(diào)用記帳程序結(jié)清作業(yè)費用。

2．作業(yè)控制塊JCB(JobControlBlock)為了管理和調(diào)度作業(yè)，在多道批處理系統(tǒng)中為每個作業(yè)設(shè)置了一個作業(yè)控制塊，如同進程控制塊是進程在系統(tǒng)中存在的標志一樣，它是作業(yè)在系統(tǒng)中存在的標志，其中保存了系統(tǒng)對作業(yè)進行管理和調(diào)度所需的全部信息。在JCB中所包含的內(nèi)容因系統(tǒng)而異，通常應(yīng)包含的內(nèi)容有：作業(yè)標識、用戶名稱、用戶帳戶、作業(yè)類型(CPU繁忙型、I/O繁忙型、批量型、終端型)、作業(yè)狀態(tài)、調(diào)度信息(優(yōu)先級、作業(yè)已運行時間)、資源需求(預(yù)計運行時間、要求內(nèi)存大小、要求I/O設(shè)備的類型和數(shù)量等)、進入系統(tǒng)時間、開始處理時間、作業(yè)完成時間、作業(yè)退出時間、資源使用情況等。

每當作業(yè)進入系統(tǒng)時，系統(tǒng)便為每個作業(yè)建立一個JCB，根據(jù)作業(yè)類型將它插入相應(yīng)的后備隊列中。作業(yè)調(diào)度程序依據(jù)一定的調(diào)度算法來調(diào)度它們，被調(diào)度到的作業(yè)將會裝入內(nèi)存。在作業(yè)運行期間，系統(tǒng)就按照JCB中的信息對作業(yè)進行控制。當一個作業(yè)執(zhí)行結(jié)束進入完成狀態(tài)時，系統(tǒng)負責(zé)回收分配給它的資源，撤消它的作業(yè)控制塊。

3．作業(yè)調(diào)度作業(yè)調(diào)度的主要功能是根據(jù)作業(yè)控制塊中的信息，審查系統(tǒng)能否滿足用戶作業(yè)的資源需求，以及按照一定的算法，從外存的后備隊列中選取某些作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并為它們創(chuàng)建進程、分配必要的資源。然后再將新創(chuàng)建的進程插入就緒隊列，準備執(zhí)行。因此，有時也把作業(yè)調(diào)度稱為接納調(diào)度(AdmissionScheduling)。

對用戶而言，總希望自己作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間盡可能的少，最好周轉(zhuǎn)時間就等于作業(yè)的執(zhí)行時間。然而對系統(tǒng)來說，則希望作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時間盡可能少，有利于提高CPU的利用率和系統(tǒng)的吞吐量。為此，每個系統(tǒng)在選擇作業(yè)調(diào)度算法時，既應(yīng)考慮用戶的要求，又能確保系統(tǒng)具有較高的效率。在每次執(zhí)行作業(yè)調(diào)度時，都須做出以下兩個決定。

1)決定接納多少個作業(yè)作業(yè)調(diào)度每次要接納多少個作業(yè)進入內(nèi)存，取決于多道程序度(DegreeofMultiprogramming)，即允許多少個作業(yè)同時在內(nèi)存中運行。當內(nèi)存中同時運行的作業(yè)數(shù)目太多時，可能會影響到系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，比如，使周轉(zhuǎn)時間太長。但如果在內(nèi)存中同時運行作業(yè)的數(shù)量太少時，又會導(dǎo)致系統(tǒng)的資源利用率和系統(tǒng)吞吐量太低，因此，多道程序度的確定應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和運行速度等情況做適當?shù)恼壑浴?/p>

2)決定接納哪些作業(yè)應(yīng)將哪些作業(yè)從外存調(diào)入內(nèi)存，這將取決于所采用的調(diào)度算法。最簡單的是先來先服務(wù)調(diào)度算法，這是指將最早進入外存的作業(yè)最先調(diào)入內(nèi)存；較常用的一種算法是短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法，是將外存上最短的作業(yè)最先調(diào)入內(nèi)存；另一種較常用的是基于作業(yè)優(yōu)先級的調(diào)度算法，該算法是將外存上優(yōu)先級最高的作業(yè)優(yōu)先調(diào)入內(nèi)存；比較好的一種算法是“響應(yīng)比高者優(yōu)先”的調(diào)度算法。我們將在后面對上述幾種算法作較為詳細的介紹。

在批處理系統(tǒng)中，作業(yè)進入系統(tǒng)后，總是先駐留在外存的后備隊列上，因此需要有作業(yè)調(diào)度的過程，以便將它們分批地裝入內(nèi)存。然而在分時系統(tǒng)中，為了做到及時響應(yīng)，用戶通過鍵盤輸入的命令或數(shù)據(jù)等都是被直接送入內(nèi)存的，因而無需再配置上述的作業(yè)調(diào)度機制，但也需要有某些限制性措施來限制進入系統(tǒng)的用戶數(shù)。即，如果系統(tǒng)尚未飽和，將接納所有授權(quán)用戶，否則，將拒絕接納。類似地，在實時系統(tǒng)中通常也不需要作業(yè)調(diào)度。

3.1.2低級調(diào)度通常也把低級調(diào)度(LowLevelScheduling)稱為進程調(diào)度或短程調(diào)度(ShortTermScheduling)，它所調(diào)度的對象是進程(或內(nèi)核級線程)。進程調(diào)度是最基本的一種調(diào)度，在多道批處理、分時和實時三種類型的OS中，都必須配置這級調(diào)度。

1．低級調(diào)度的功能低級調(diào)度用于決定就緒隊列中的哪個進程(或內(nèi)核級線程，為敘述方便，以后只寫進程)應(yīng)獲得處理機，然后再由分派程序執(zhí)行把處理機分配給該進程的具體操作。

低級調(diào)度的主要功能如下：

(1)保存處理機的現(xiàn)場信息。在進程調(diào)度進行調(diào)度時，首先需要保存當前進程的處理機的現(xiàn)場信息，如程序計數(shù)器、多個通用寄存器中的內(nèi)容等，將它們送入該進程的進程控制塊(PCB)中的相應(yīng)單元。

(2)按某種算法選取進程。低級調(diào)度程序按某種算法如優(yōu)先數(shù)算法、輪轉(zhuǎn)法等，從就緒隊列中選取一個進程，把它的狀態(tài)改為運行狀態(tài)，并準備把處理機分配給它。

(3)把處理器分配給進程。由分派程序(Dispatcher)把處理器分配給進程。此時需為選中的進程恢復(fù)處理機現(xiàn)場，即把選中進程的進程控制塊內(nèi)有關(guān)處理機現(xiàn)場的信息裝入處理器相應(yīng)的各個寄存器中，把處理器的控制權(quán)交給該進程，讓它從取出的斷點處開始繼續(xù)運行。

2．進程調(diào)度中的三個基本機制為了實現(xiàn)進程調(diào)度，應(yīng)具有如下三個基本機制：

(1)排隊器。為了提高進程調(diào)度的效率，應(yīng)事先將系統(tǒng)中所有的就緒進程按照一定的方式排成一個或多個隊列，以便調(diào)度程序能最快地找到它。

(2)分派器(分派程序)。分派器把由進程調(diào)度程序所選定的進程，從就緒隊列中取出該進程，然后進行上下文切換，將處理機分配給它。

(3)上下文切換機制。當對處理機進行切換時，會發(fā)生兩對上下文切換操作。在第一對上下文切換時，操作系統(tǒng)將保存當前進程的上下文，而裝入分派程序的上下文，以便分派程序運行；在第二對上下文切換時，將移出分派程序，而把新選進程的CPU現(xiàn)場信息裝入到處理機的各個相應(yīng)寄存器中。

應(yīng)當指出，上下文切換將花去不少的處理機時間，即使是現(xiàn)代計算機，每一次上下文切換大約需要花費幾毫秒的時間，該時間大約可執(zhí)行上千條指令。為此，現(xiàn)在已有通過硬件(采用兩組或多組寄存器)的方法來減少上下文切換的時間。一組寄存器供處理機在系統(tǒng)態(tài)時使用，另一組寄存器供應(yīng)用程序使用。在這種條件下的上下文切換只需改變指針，使其指向當前寄存器組即可。

3．進程調(diào)度方式進程調(diào)度可采用下述兩種調(diào)度方式。

1)非搶占方式(NonpreemptiveMode)在采用這種調(diào)度方式時，一旦把處理機分配給某進程后，不管它要運行多長時間，都一直讓它運行下去，決不會因為時鐘中斷等原因而搶占正在運行進程的處理機，也不允許其它進程搶占已經(jīng)分配給它的處理機。直至該進程完成，自愿釋放處理機，或發(fā)生某事件而被阻塞時，才再把處理機分配給其他進程。

在采用非搶占調(diào)度方式時，可能引起進程調(diào)度的因素可歸結(jié)為如下幾個：

(1)正在執(zhí)行的進程執(zhí)行完畢，或因發(fā)生某事件而不能再繼續(xù)執(zhí)行；

(2)執(zhí)行中的進程因提出I/O請求而暫停執(zhí)行；

(3)在進程通信或同步過程中執(zhí)行了某種原語操作，如P操作(wait操作)、Block原語、Wakeup原語等。這種調(diào)度方式的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，系統(tǒng)開銷小，適用于大多數(shù)的批處理系統(tǒng)環(huán)境。但它難以滿足緊急任務(wù)的要求——立即執(zhí)行，因而可能造成難以預(yù)料的后果。顯然，在要求比較嚴格的實時系統(tǒng)中，不宜采用這種調(diào)度方式。

2)搶占方式(PreemptiveMode)這種調(diào)度方式允許調(diào)度程序根據(jù)某種原則去暫停某個正在執(zhí)行的進程，將已分配給該進程的處理機重新分配給另一進程。搶占方式的優(yōu)點是，可以防止一個長進程長時間占用處理機，能為大多數(shù)進程提供更公平的服務(wù)，特別是能滿足對響應(yīng)時間有著較嚴格要求的實時任務(wù)的需求。但搶占方式比非搶占方式調(diào)度所需付出的開銷較大。搶占調(diào)度方式是基于一定原則的，主要有如下幾條：

(1)優(yōu)先權(quán)原則。通常是對一些重要的和緊急的作業(yè)賦予較高的優(yōu)先權(quán)。當這種作業(yè)到達時，如果其優(yōu)先權(quán)比正在執(zhí)行進程的優(yōu)先權(quán)高，便停止正在執(zhí)行(當前)的進程，將處理機分配給優(yōu)先權(quán)高的新到的進程，使之執(zhí)行；或者說，允許優(yōu)先權(quán)高的新到進程搶占當前進程的處理機。

(2)短作業(yè)(進程)優(yōu)先原則。當新到達的作業(yè)(進程)比正在執(zhí)行的作業(yè)(進程)明顯的短時，將暫停當前長作業(yè)(進程)的執(zhí)行，將處理機分配給新到的短作業(yè)(進程)，使之優(yōu)先執(zhí)行；

或者說，短作業(yè)(進程)可以搶占當前較長作業(yè)(進程)的處理機。

(3)時間片原則。各進程按時間片輪流運行，當一個時間片用完后，便停止該進程的執(zhí)行而重新進行調(diào)度。這種原則適用于分時系統(tǒng)、大多數(shù)的實時系統(tǒng)，以及要求較高的批處理系統(tǒng)。

3.1.3中級調(diào)度中級調(diào)度(IntermediateLevelScheduling)又稱中程調(diào)度(Medium-TermScheduling)。引入中級調(diào)度的主要目的是為了提高內(nèi)存利用率和系統(tǒng)吞吐量。為此，應(yīng)使那些暫時不能運行的進程不再占用寶貴的內(nèi)存資源，而將它們調(diào)至外存上去等待，把此時的進程狀態(tài)稱為就緒駐外存狀態(tài)或掛起狀態(tài)。當這些進程重又具備運行條件且內(nèi)存又稍有空閑時，由中級調(diào)度來決定把外存上的那些又具備運行條件的就緒進程重新調(diào)入內(nèi)存，并修改其狀態(tài)為就緒狀態(tài)，掛在就緒隊列上等待進程調(diào)度。中級調(diào)度實際上就是存儲器管理中的對換功能，我們將在第四章中做詳細闡述。

在上述三種調(diào)度中，進程調(diào)度的運行頻率最高，在分時系統(tǒng)中通常是10～100ms便進行一次進程調(diào)度，因此把它稱為短程調(diào)度。為避免進程調(diào)度占用太多的CPU時間，進程調(diào)度算法不宜太復(fù)雜。作業(yè)調(diào)度往往是發(fā)生在一個(批)作業(yè)運行完畢，退出系統(tǒng)，而需要重新調(diào)入一個(批)作業(yè)進入內(nèi)存時，故作業(yè)調(diào)度的周期較長，大約幾分鐘一次，因此把它稱為長程調(diào)度。由于其運行頻率較低，故允許作業(yè)調(diào)度算法花費較多的時間。中級調(diào)度的運行頻率基本上介于上述兩種調(diào)度之間，因此把它稱為中程調(diào)度。

3.2調(diào)度隊列模型和調(diào)度準則

調(diào)度隊列模型

1．僅有進程調(diào)度的調(diào)度隊列模型在分時系統(tǒng)中，通常僅設(shè)置了進程調(diào)度，用戶鍵入的命令和數(shù)據(jù)都直接送入內(nèi)存。對于命令，是由OS為之建立一個進程。系統(tǒng)可以把處于就緒狀態(tài)的進程組織成棧、樹或一個無序鏈表，至于到底采用其中哪種形式，則與OS類型和所采用的調(diào)度算法有關(guān)。例如，在分時系統(tǒng)中，常把就緒進程組織成FIFO隊列形式。每當OS創(chuàng)建一個新進程時，便將它掛在就緒隊列的末尾，然后按時間片輪轉(zhuǎn)方式運行。

每個進程在執(zhí)行時都可能出現(xiàn)以下三種情況：

(1)任務(wù)在給定的時間片內(nèi)已經(jīng)完成，該進程便在釋放處理機后進入完成狀態(tài)；

(2)任務(wù)在本次分得的時間片內(nèi)尚未完成，OS便將該任務(wù)再放入就緒隊列的末尾；

(3)在執(zhí)行期間，進程因為某事件而被阻塞后，被OS放入阻塞隊列。圖3-1示出了僅具有進程調(diào)度的調(diào)度隊列模型。

圖

3-1僅具有進程調(diào)度的調(diào)度隊列模型

2．具有高級和低級調(diào)度的調(diào)度隊列模型在批處理系統(tǒng)中，不僅需要進程調(diào)度，而且還需有作業(yè)調(diào)度，由后者按一定的作業(yè)調(diào)度算法，從外存的后備隊列中選擇一批作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并為它們建立進程，送入就緒隊列，然后才由進程調(diào)度按照一定的進程調(diào)度算法選擇一個進程，把處理機分配給該進程。圖3-2示出了具有高、低兩級調(diào)度的調(diào)度隊列模型。該模型與上一模型的主要區(qū)別在于如下兩個方面。

(1)就緒隊列的形式。在批處理系統(tǒng)中，最常用的是最高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度算法，相應(yīng)地，最常用的就緒隊列形式是優(yōu)先權(quán)隊列。進程在進入優(yōu)先級隊列時，根據(jù)其優(yōu)先權(quán)的高低，被插入具有相應(yīng)優(yōu)先權(quán)的位置上，這樣，調(diào)度程序總是把處理機分配給就緒隊列中的隊首進程。在最高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先的調(diào)度算法中，也可采用無序鏈表方式，即每次把新到的進程掛在鏈尾，而調(diào)度程序每次調(diào)度時，是依次比較該鏈中各進程的優(yōu)先權(quán)，從中找出優(yōu)先權(quán)最高的進程，將之從鏈中摘下，并把處理機分配給它。顯然，無序鏈表方式與優(yōu)先權(quán)隊列相比，這種方式的調(diào)度效率較低。

圖

3-2具有高、低兩級調(diào)度的調(diào)度隊列模型

(2)設(shè)置多個阻塞隊列。對于小型系統(tǒng)，可以只設(shè)置一個阻塞隊列；但當系統(tǒng)較大時，若仍只有一個阻塞隊列，其長度必然會很長，隊列中的進程數(shù)可以達到數(shù)百個，這將嚴重影響對阻塞隊列操作的效率。故在大、中型系統(tǒng)中通常都設(shè)置了若干個阻塞隊列，每個隊列對應(yīng)于某一種進程阻塞事件。

3．同時具有三級調(diào)度的調(diào)度隊列模型當在OS中引入中級調(diào)度后，人們可把進程的就緒狀態(tài)分為內(nèi)存就緒(表示進程在內(nèi)存中就緒)和外存就緒(進程在外存中就緒)。類似地，也可把阻塞狀態(tài)進一步分成內(nèi)存阻塞和外存阻塞兩種狀態(tài)。在調(diào)出操作的作用下，可使進程狀態(tài)由內(nèi)存就緒轉(zhuǎn)為外存就緒，由內(nèi)存阻塞轉(zhuǎn)為外存阻塞；在中級調(diào)度的作用下，又可使外存就緒轉(zhuǎn)為內(nèi)存就緒。圖3-3示出了具有三級調(diào)度的調(diào)度隊列模型。

圖

3-3具有三級調(diào)度時的調(diào)度隊列模型

選擇調(diào)度方式和調(diào)度算法的若干準則

1．面向用戶的準則

(1)周轉(zhuǎn)時間短。通常把周轉(zhuǎn)時間的長短作為評價批處理系統(tǒng)的性能、選擇作業(yè)調(diào)度方式與算法的重要準則之一。所謂周轉(zhuǎn)時間，是指從作業(yè)被提交給系統(tǒng)開始，到作業(yè)完成為止的這段時間間隔(稱為作業(yè)周轉(zhuǎn)時間)。它包括四部分時間：作業(yè)在外存后備隊列上等待(作業(yè))調(diào)度的時間，進程在就緒隊列上等待進程調(diào)度的時間，進程在CPU上執(zhí)行的時間，以及進程等待I/O操作完成的時間。其中的后三項在一個作業(yè)的整個處理過程中可能會發(fā)生多次。

對每個用戶而言，都希望自己作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間最短。但作為計算機系統(tǒng)的管理者，則總是希望能使平均周轉(zhuǎn)時間最短，這不僅會有效地提高系統(tǒng)資源的利用率，而且還可使大多數(shù)用戶都感到滿意?？砂哑骄苻D(zhuǎn)時間描述為：

作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間T與系統(tǒng)為它提供服務(wù)的時間Ts之比，即W=T/Ts，稱為帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間，而平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間則可表示為：

(2)響應(yīng)時間快。常把響應(yīng)時間的長短用來評價分時系統(tǒng)的性能，這是選擇分時系統(tǒng)中進程調(diào)度算法的重要準則之一。所謂響應(yīng)時間，是從用戶通過鍵盤提交一個請求開始，直至系統(tǒng)首次產(chǎn)生響應(yīng)為止的時間，或者說，直到屏幕上顯示出結(jié)果為止的一段時間間隔。它包括三部分時間：從鍵盤輸入的請求信息傳送到處理機的時間，處理機對請求信息進行處理的時間，以及將所形成的響應(yīng)信息回送到終端顯示器的時間。

(3)截止時間的保證。這是評價實時系統(tǒng)性能的重要指標，因而是選擇實時調(diào)度算法的重要準則。所謂截止時間，是指某任務(wù)必須開始執(zhí)行的最遲時間，或必須完成的最遲時間。對于嚴格的實時系統(tǒng)，其調(diào)度方式和調(diào)度算法必須能保證這一點，否則將可能造成難以預(yù)料的后果。

(4)優(yōu)先權(quán)準則。在批處理、分時和實時系統(tǒng)中選擇調(diào)度算法時，都可遵循優(yōu)先權(quán)準則，以便讓某些緊急的作業(yè)能得到及時處理。在要求較嚴格的場合，往往還須選擇搶占式調(diào)度方式，才能保證緊急作業(yè)得到及時處理。

2．面向系統(tǒng)的準則這是為了滿足系統(tǒng)要求而應(yīng)遵循的一些準則。其中，較重要的有以下幾點：

(1)系統(tǒng)吞吐量高。這是用于評價批處理系統(tǒng)性能的另一個重要指標，因而是選擇批處理作業(yè)調(diào)度的重要準則。由于吞吐量是指在單位時間內(nèi)系統(tǒng)所完成的作業(yè)數(shù)，因而它與批處理作業(yè)的平均長度具有密切關(guān)系。對于大型作業(yè)，一般吞吐量約為每小時一道作業(yè)；對于中、小型作業(yè)，其吞吐量則可能達到數(shù)十道作業(yè)之多。作業(yè)調(diào)度的方式和算法對吞吐量的大小也將產(chǎn)生較大影響。事實上，對于同一批作業(yè)，若采用了較好的調(diào)度方式和算法，則可顯著地提高系統(tǒng)的吞吐量。

(2)處理機利用率好。對于大、中型多用戶系統(tǒng)，由于CPU價格十分昂貴，致使處理機的利用率成為衡量系統(tǒng)性能的十分重要的指標；而調(diào)度方式和算法對處理機的利用率起著十分重要的作用。在實際系統(tǒng)中，CPU的利用率一般在40%(系統(tǒng)負荷較輕)到90%之間。在大、中型系統(tǒng)中，在選擇調(diào)度方式和算法時，應(yīng)考慮到這一準則。但對于單用戶微機或某些實時系統(tǒng)，則此準則就不那么重要了。

(3)各類資源的平衡利用。在大、中型系統(tǒng)中，不僅要使處理機的利用率高，而且還應(yīng)能有效地利用其它各類資源，如內(nèi)存、外存和I/O設(shè)備等。選擇適當?shù)恼{(diào)度方式和算法可以保持系統(tǒng)中各類資源都處于忙碌狀態(tài)。但對于微型機和某些實時系統(tǒng)而言，該準則并不重要。

3.3調(diào)

度

算

法

先來先服務(wù)和短作業(yè)(進程)優(yōu)先調(diào)度算法

1．先來先服務(wù)調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)調(diào)度算法是一種最簡單的調(diào)度算法，該算法既可用于作業(yè)調(diào)度，也可用于進程調(diào)度。當在作業(yè)調(diào)度中采用該算法時，每次調(diào)度都是從后備作業(yè)隊列中選擇一個或多個最先進入該隊列的作業(yè)，將它們調(diào)入內(nèi)存，為它們分配資源、創(chuàng)建進程，然后放入就緒隊列。在進程調(diào)度中采用FCFS算法時，則每次調(diào)度是從就緒隊列中選擇一個最先進入該隊列的進程，為之分配處理機，使之投入運行。該進程一直運行到完成或發(fā)生某事件而阻塞后才放棄處理機。

FCFS算法比較有利于長作業(yè)(進程)，而不利于短作業(yè)(進程)。下表列出了A、B、C、D四個作業(yè)分別到達系統(tǒng)的時間、要求服務(wù)的時間、開始執(zhí)行的時間及各自的完成時間，并計算出各自的周轉(zhuǎn)時間和帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間。

從表上可以看出，其中短作業(yè)C的帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間競高達100，這是不能容忍的；而長作業(yè)D的帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間僅為1.99。據(jù)此可知，F(xiàn)CFS調(diào)度算法有利于CPU繁忙型的作業(yè)，而不利于I/O繁忙型的作業(yè)(進程)。CPU繁忙型作業(yè)是指該類作業(yè)需要大量的CPU時間進行計算，而很少請求I/O。通常的科學(xué)計算便屬于CPU繁忙型作業(yè)。I/O繁忙型作業(yè)是指CPU進行處理時需頻繁地請求I/O。目前的大多數(shù)事務(wù)處理都屬于I/O繁忙型作業(yè)。作業(yè)調(diào)度算法舉例1-FCFS作業(yè)提交時刻

ts運行時間

tr開始時刻

tb完成時刻

tc周轉(zhuǎn)時間Ti帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間Wi18.002.008.0010.002.001.0028.500.5010.0010.502.004.0039.000.1010.5010.601.6016.0049.500.2010.6010.801.306.50平均周轉(zhuǎn)時間T=1.725(小時)平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間W=6.8756.9027.50

在此，我們通過一個例子來說明采用FCFS調(diào)度算法時的調(diào)度性能。圖3-4(a)示出有五個進程A、B、C、D、E，它們到達的時間分別是0、1、2、3和4，所要求的服務(wù)時間分別是4、3、5、2和4，其完成時間分別是4、7、12、14和18。從每個進程的完成時間中減去其到達時間，即得到其周轉(zhuǎn)時間，進而可以算出每個進程的帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間。

圖3-4

FCFS和SJF調(diào)度算法的性能

2．短作業(yè)(進程)優(yōu)先調(diào)度算法短作業(yè)(進程)優(yōu)先調(diào)度算法SJ(P)F，是指對短作業(yè)或短進程優(yōu)先調(diào)度的算法。它們可以分別用于作業(yè)調(diào)度和進程調(diào)度。短作業(yè)優(yōu)先(SJF)的調(diào)度算法是從后備隊列中選擇一個或若干個估計運行時間最短的作業(yè)，將它們調(diào)入內(nèi)存運行。而短進程優(yōu)先(SPF)調(diào)度算法則是從就緒隊列中選出一個估計運行時間最短的進程，將處理機分配給它，使它立即執(zhí)行并一直執(zhí)行到完成，或發(fā)生某事件而被阻塞放棄處理機時再重新調(diào)度。

為了和FCFS調(diào)度算法進行比較，我們?nèi)岳肍CFS算法中所使用的實例，并改用SJ(P)F算法重新調(diào)度，再進行性能分析。由圖3-4中的(a)和(b)可以看出，采用SJ(P)F算法后，不論是平均周轉(zhuǎn)時間還是平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間，都有較明顯的改善，尤其是對短作業(yè)D，其周轉(zhuǎn)時間由原來的(用FCFS算法時)11降為3；而平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間是從5.5降到1.5。這說明SJF調(diào)度算法能有效地降低作業(yè)的平均等待時間，提高系統(tǒng)吞吐量。

作業(yè)調(diào)度算法舉例1-SJT作業(yè)提交時刻ts運行時間tr開始時刻tb完成時刻tc周轉(zhuǎn)時間Ti帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間Wi18.002.008.0010.002.001.0028.500.5010.3010.802.304.6039.000.1010.0010.101.1011.0049.500.2010.1010.300.804.00平均周轉(zhuǎn)時間T=1.55(小時)平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間W=5.156.2020.60

SJ(P)F調(diào)度算法也存在不容忽視的缺點：

(1)該算法對長作業(yè)不利，如作業(yè)C的周轉(zhuǎn)時間由10增至16，其帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間由2增至3.1。更嚴重的是，如果有一長作業(yè)(進程)進入系統(tǒng)的后備隊列(就緒隊列)，由于調(diào)度程序總是優(yōu)先調(diào)度那些(即使是后進來的)短作業(yè)(進程)，將導(dǎo)致長作業(yè)(進程)長期不被調(diào)度。

(2)該算法完全未考慮作業(yè)的緊迫程度，因而不能保證緊迫性作業(yè)(進程)會被及時處理。

(3)由于作業(yè)(進程)的長短只是根據(jù)用戶所提供的估計執(zhí)行時間而定的，而用戶又可能會有意或無意地縮短其作業(yè)的估計運行時間，致使該算法不一定能真正做到短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度。

高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度算法

1．優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法的類型為了照顧緊迫型作業(yè)，使之在進入系統(tǒng)后便獲得優(yōu)先處理，引入了最高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先(FPF)調(diào)度算法。此算法常被用于批處理系統(tǒng)中，作為作業(yè)調(diào)度算法，也作為多種操作系統(tǒng)中的進程調(diào)度算法，還可用于實時系統(tǒng)中。當把該算法用于作業(yè)調(diào)度時，系統(tǒng)將從后備隊列中選擇若干個優(yōu)先權(quán)最高的作業(yè)裝入內(nèi)存。當用于進程調(diào)度時，該算法是把處理機分配給就緒隊列中優(yōu)先權(quán)最高的進程，這時，又可進一步把該算法分成如下兩種。

1)非搶占式優(yōu)先權(quán)算法在這種方式下，系統(tǒng)一旦把處理機分配給就緒隊列中優(yōu)先權(quán)最高的進程后，該進程便一直執(zhí)行下去，直至完成；或因發(fā)生某事件使該進程放棄處理機時，系統(tǒng)方可再將處理機重新分配給另一優(yōu)先權(quán)最高的進程。這種調(diào)度算法主要用于批處理系統(tǒng)中；也可用于某些對實時性要求不嚴的實時系統(tǒng)中。

2)搶占式優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法在這種方式下，系統(tǒng)同樣是把處理機分配給優(yōu)先權(quán)最高的進程，使之執(zhí)行。但在其執(zhí)行期間，只要又出現(xiàn)了另一個其優(yōu)先權(quán)更高的進程，進程調(diào)度程序就立即停止當前進程(原優(yōu)先權(quán)最高的進程)的執(zhí)行，重新將處理機分配給新到的優(yōu)先權(quán)最高的進程。因此，在采用這種調(diào)度算法時，是每當系統(tǒng)中出現(xiàn)一個新的就緒進程i時，就將其優(yōu)先權(quán)Pi與正在執(zhí)行的進程j的優(yōu)先權(quán)Pj進行比較。如果Pi≤Pj，原進程Pj便繼續(xù)執(zhí)行；但如果是Pi>Pj，則立即停止Pj的執(zhí)行，做進程切換，使i進程投入執(zhí)行。顯然，這種搶占式的優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法能更好地滿足緊迫作業(yè)的要求，故而常用于要求比較嚴格的實時系統(tǒng)中，以及對性能要求較高的批處理和分時系統(tǒng)中。

2．優(yōu)先權(quán)的類型對于最高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度算法，其關(guān)鍵在于：它是使用靜態(tài)優(yōu)先權(quán)，還是用動態(tài)優(yōu)先權(quán)，以及如何確定進程的優(yōu)先權(quán)。

1)靜態(tài)優(yōu)先權(quán)靜態(tài)優(yōu)先權(quán)是在創(chuàng)建進程時確定的，且在進程的整個運行期間保持不變。一般地，優(yōu)先權(quán)是利用某一范圍內(nèi)的一個整數(shù)來表示的，例如，0～7或0～255中的某一整數(shù)，又把該整數(shù)稱為優(yōu)先數(shù)，只是具體用法各異：有的系統(tǒng)用“0”表示最高優(yōu)先權(quán)，當數(shù)值愈大時，其優(yōu)先權(quán)愈低；而有的系統(tǒng)恰恰相反。

確定進程優(yōu)先權(quán)的依據(jù)有如下三個方面：

(1)進程類型。通常，系統(tǒng)進程(如接收進程、對換進程、磁盤I/O進程)的優(yōu)先權(quán)高于一般用戶進程的優(yōu)先權(quán)。

(2)進程對資源的需求。如進程的估計執(zhí)行時間及內(nèi)存需要量的多少，對這些要求少的進程應(yīng)賦予較高的優(yōu)先權(quán)。

(3)用戶要求。這是由用戶進程的緊迫程度及用戶所付費用的多少來確定優(yōu)先權(quán)的。靜態(tài)優(yōu)先權(quán)法簡單易行，系統(tǒng)開銷小，但不夠精確，很可能出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)低的作業(yè)(進程)長期沒有被調(diào)度的情況。因此，僅在要求不高的系統(tǒng)中才使用靜態(tài)優(yōu)先權(quán)。

2)動態(tài)優(yōu)先權(quán)動態(tài)優(yōu)先權(quán)是指在創(chuàng)建進程時所賦予的優(yōu)先權(quán)，是可以隨進程的推進或隨其等待時間的增加而改變的，以便獲得更好的調(diào)度性能。例如，我們可以規(guī)定，在就緒隊列中的進程，隨其等待時間的增長，其優(yōu)先權(quán)以速率a提高。若所有的進程都具有相同的優(yōu)先權(quán)初值，則顯然是最先進入就緒隊列的進程將因其動態(tài)優(yōu)先權(quán)變得最高而優(yōu)先獲得處理機，此即FCFS算法。若所有的就緒進程具有各不相同的優(yōu)先權(quán)初值，那么，對于優(yōu)先權(quán)初值低的進程，在等待了足夠的時間后，其優(yōu)先權(quán)便可能升為最高，從而可以獲得處理機。當采用搶占式優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法時，如果再規(guī)定當前進程的優(yōu)先權(quán)以速率b下降，則可防止一個長作業(yè)長期地壟斷處理機。

3．高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度算法在批處理系統(tǒng)中，短作業(yè)優(yōu)先算法是一種比較好的算法，其主要的不足之處是長作業(yè)的運行得不到保證。如果我們能為每個作業(yè)引入前面所述的動態(tài)優(yōu)先權(quán)，并使作業(yè)的優(yōu)先級隨著等待時間的增加而以速率a提高，則長作業(yè)在等待一定的時間后，必然有機會分配到處理機。該優(yōu)先權(quán)的變化規(guī)律可描述為：

由于等待時間與服務(wù)時間之和就是系統(tǒng)對該作業(yè)的響應(yīng)時間，故該優(yōu)先權(quán)又相當于響應(yīng)比RP。據(jù)此，又可表示為：

由上式可以看出：

(1)如果作業(yè)的等待時間相同，則要求服務(wù)的時間愈短，其優(yōu)先權(quán)愈高，因而該算法有利于短作業(yè)。

(2)當要求服務(wù)的時間相同時，作業(yè)的優(yōu)先權(quán)決定于其等待時間，等待時間愈長，其優(yōu)先權(quán)愈高，因而它實現(xiàn)的是先來先服務(wù)。

(3)對于長作業(yè)，作業(yè)的優(yōu)先級可以隨等待時間的增加而提高，當其等待時間足夠長時，其優(yōu)先級便可升到很高，從而也可獲得處理機。簡言之，該算法既照顧了短作業(yè)，又考慮了作業(yè)到達的先后次序，不會使長作業(yè)長期得不到服務(wù)。因此，該算法實現(xiàn)了一種較好的折衷。當然，在利用該算法時，每要進行調(diào)度之前，都須先做響應(yīng)比的計算，這會增加系統(tǒng)開銷。

作業(yè)調(diào)度算法舉例1-HRN作業(yè)提交時刻ts運行時間tr開始時刻tb完成時刻tc周轉(zhuǎn)時間Ti帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間Wi18.002.008.0010.002.001.0028.500.5010.1010.602.104.2039.000.1010.0010.101.1011.0049.500.2010.6010.801.306.50平均周轉(zhuǎn)時間T=1.625(小時)平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間W=5.6756.5022.72基于時間片的輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法

1．時間片輪轉(zhuǎn)法

1)基本原理在早期的時間片輪轉(zhuǎn)法中，系統(tǒng)將所有的就緒進程按先來先服務(wù)的原則排成一個隊列，每次調(diào)度時，把CPU分配給隊首進程，并令其執(zhí)行一個時間片。時間片的大小從幾ms到幾百ms。當執(zhí)行的時間片用完時，由一個計時器發(fā)出時鐘中斷請求，調(diào)度程序便據(jù)此信號來停止該進程的執(zhí)行，并將它送往就緒隊列的末尾；然后，再把處理機分配給就緒隊列中新的隊首進程，同時也讓它執(zhí)行一個時間片。這樣就可以保證就緒隊列中的所有進程在一給定的時間內(nèi)均能獲得一時間片的處理機執(zhí)行時間。換言之，系統(tǒng)能在給定的時間內(nèi)響應(yīng)所有用戶的請求。

2)時間片大小的確定在時間片輪轉(zhuǎn)算法中，時間片的大小對系統(tǒng)性能有很大的影響，如選擇很小的時間片將有利于短作業(yè)，因為它能較快地完成，但會頻繁地發(fā)生中斷、進程上下文的切換，從而增加系統(tǒng)的開銷；反之，如選擇太長的時間片，使得每個進程都能在一個時間片內(nèi)完成，時間片輪轉(zhuǎn)算法便退化為FCFS算法，無法滿足交互式用戶的需求。一個較為可取的大小是，時間片略大于一次典型的交互所需要的時間。這樣可使大多數(shù)進程在一個時間片內(nèi)完成。圖3-5示出了時間片分別為q=1和q=4時，A、B、C、D、E五個進程的運行情況，而圖3-6為q=1和q=4時各進程的平均周轉(zhuǎn)時間和帶權(quán)平均周轉(zhuǎn)時間。圖中的RR(RoundRobin)表示輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法。

圖3-5q=1和q=4時的進程運行情況

圖3-6q=1和q=4時進程的周轉(zhuǎn)時間

2．多級反饋隊列調(diào)度算法

(1)應(yīng)設(shè)置多個就緒隊列，并為各個隊列賦予不同的優(yōu)先級。第一個隊列的優(yōu)先級最高，第二個隊列次之，其余各隊列的優(yōu)先權(quán)逐個降低。該算法賦予各個隊列中進程執(zhí)行時間片的大小也各不相同，在優(yōu)先權(quán)愈高的隊列中，為每個進程所規(guī)定的執(zhí)行時間片就愈小。例如，第二個隊列的時間片要比第一個隊列的時間片長一倍，……，第i+1個隊列的時間片要比第i個隊列的時間片長一倍。圖3-7是多級反饋隊列算法的示意。

圖

3-7多級反饋隊列調(diào)度算法

(2)當一個新進程進入內(nèi)存后，首先將它放入第一隊列的末尾，按FCFS原則排隊等待調(diào)度。當輪到該進程執(zhí)行時，如它能在該時間片內(nèi)完成，便可準備撤離系統(tǒng)；如果它在一個時間片結(jié)束時尚未完成，調(diào)度程序便將該進程轉(zhuǎn)入第二隊列的末尾，再同樣地按FCFS原則等待調(diào)度執(zhí)行；如果它在第二隊列中運行一個時間片后仍未完成，再依次將它放入第三隊列，……，如此下去，當一個長作業(yè)(進程)從第一隊列依次降到第n隊列后，在第n隊列中便采取按時間片輪轉(zhuǎn)的方式運行。

(3)僅當?shù)谝魂犃锌臻e時，調(diào)度程序才調(diào)度第二隊列中的進程運行；僅當?shù)?～(i-1)隊列均空時，才會調(diào)度第i隊列中的進程運行。如果處理機正在第i隊列中為某進程服務(wù)時，又有新進程進入優(yōu)先權(quán)較高的隊列(第1～(i-1)中的任何一個隊列)，則此時新進程將搶占正在運行進程的處理機，即由調(diào)度程序把正在運行的進程放回到第i隊列的末尾，把處理機分配給新到的高優(yōu)先權(quán)進程。

3．多級反饋隊列調(diào)度算法的性能多級反饋隊列調(diào)度算法具有較好的性能，能很好地滿足各種類型用戶的需要。

(1)終端型作業(yè)用戶。由于終端型作業(yè)用戶所提交的作業(yè)大多屬于交互型作業(yè)，作業(yè)通常較小，系統(tǒng)只要能使這些作業(yè)(進程)在第一隊列所規(guī)定的時間片內(nèi)完成，便可使終端型作業(yè)用戶都感到滿意。

(2)短批處理作業(yè)用戶。對于很短的批處理型作業(yè)，開始時像終端型作業(yè)一樣，如果僅在第一隊列中執(zhí)行一個時間片即可完成，便可獲得與終端型作業(yè)一樣的響應(yīng)時間。對于稍長的作業(yè)，通常也只需在第二隊列和第三隊列各執(zhí)行一個時間片即可完成，其周轉(zhuǎn)時間仍然較短。

(3)長批處理作業(yè)用戶。對于長作業(yè)，它將依次在第1，2，…，n個隊列中運行，然后再按輪轉(zhuǎn)方式運行，用戶不必擔心其作業(yè)長期得不到處理。

補充材料:多道程序環(huán)境中的作業(yè)調(diào)度1。多道程序?qū)χ苻D(zhuǎn)時間的影響等待時間百分數(shù)多道程序道數(shù)125507524.020.052.930.46.334.640.01.520.650.00.311.060.00.15.270.00.02.2

CPU進度：在給定的時間間隔內(nèi)，CPU為一個作業(yè)做了多少“工作”。例如：在單道程序系統(tǒng)中，設(shè)一個作業(yè)等待I/O的時間占運行時間的25%，則在一小時內(nèi)CPU的進度為0.75小時；現(xiàn)在，有兩個同時開始投入運行的作業(yè)，其等待I/O時間都占25%，且都需要1.5小時的CPU時間，那么其CPU進度怎么計算呢？兩個作業(yè)將在什么時候完成呢？從表中可查得，CPU將空閑4%的時間。即在一小時內(nèi)對兩個作業(yè)的進度為0.96小時，因而每個作業(yè)的進度僅為0.48小時。顯然，為完成這兩個作業(yè)所需的總時間為1.5/0.48，得3.125小時。如果這兩個作業(yè)在單道環(huán)境下，就需要4小時。可見，多道程序設(shè)計的好處是明顯的。時間事件并行CPU每個作業(yè)經(jīng)過作業(yè)每個作業(yè)需要的作業(yè)數(shù)等待%占CPU%時間的進度CPU時間8.00作業(yè)1到11.508.50作業(yè)2到125750.510.3751.12520.375

10.240.8859.00作業(yè)3到24480.520.240.13530.075

10.0750.8109.226作業(yè)3結(jié)束30.433.20.22620.0750.0630.0750.09.351作業(yè)2結(jié)束24480.12510.060.7520.060.09.5作業(yè)4到125750.14910.1120.63840.159.8125作業(yè)4結(jié)束24480.312510.150.48840.150.010.4632作業(yè)1結(jié)束125750.650710.4880.0多道程序環(huán)境中的作業(yè)調(diào)度舉例作業(yè)提交時刻ts

運行時間tr

開始時刻tb

完成時刻tc

周轉(zhuǎn)時間Ti帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間Wi18.002.008.0010.46322.46321.231628.500.508.509.3510.8511.70239.000.109.009.2260.2262.2649.500.209.509.81250.31251.5625平均周轉(zhuǎn)時間T=0.9632(小時)平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間W=1.6893.85276.75612。多道程序系統(tǒng)中的調(diào)度算法基于先來先服務(wù)：按作業(yè)到達的先后順序建立一個后備作業(yè)隊列，當需要調(diào)度作業(yè)時，由調(diào)度程序從頭開始掃描這個隊列，直至找到一個資源能得到滿足的作業(yè)為止?；趦?yōu)先級：在作業(yè)到達時，根據(jù)這個作業(yè)的優(yōu)先級插入到相應(yīng)優(yōu)先級隊列中，當需要調(diào)度作業(yè)時，由調(diào)度程序從非空隊列的最高優(yōu)先級開始逐級進行掃描，直至找到一個資源能得到滿足的作業(yè)為止。同一優(yōu)先級中則按“先來先服務(wù)”的原則選擇。分時和優(yōu)先級相結(jié)合：該算法主要用于分時系統(tǒng)中，優(yōu)先級高的作業(yè)可以“排擠”優(yōu)先級比它低的正在運行的作業(yè)。被排擠下來的作業(yè)放在其原來所處優(yōu)先級隊列的首部，以便下次盡快地調(diào)度到它。下次運行的時間配給量等于上次運行未用完的時間量。多道程序環(huán)境中的作業(yè)調(diào)度舉例多道環(huán)境作業(yè)調(diào)度算法舉例1

例題:在某多道程序系統(tǒng)中，供用戶使用的內(nèi)存空間有１００K，磁帶機２臺，打印機１臺。系統(tǒng)采用可變式分區(qū)管理內(nèi)存，對磁帶機和打印機采用靜態(tài)分配方式，并假設(shè)輸入／輸出操作的時間忽略不計?，F(xiàn)有一作業(yè)序列如下表所示。作業(yè)號到達時間計算時間要求內(nèi)存申請磁帶機數(shù)申請打印機數(shù)

————————————————————————————————

１8:00２５分鐘15K1臺1臺２8:20１０分鐘30K1臺３8:20２０分鐘60K1臺４8:30２０分鐘20K1臺５8:35１５分鐘10K1臺1臺

————————————————————————————————

假設(shè)作業(yè)調(diào)度采用先來先服務(wù)算法，優(yōu)先分配內(nèi)存的低地址區(qū)域且不移動已在內(nèi)存中的作業(yè)，在內(nèi)存中的作業(yè)平分CPU時間，試問：⑴作業(yè)調(diào)度選中作業(yè)的次序是什么？⑵每個作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間和平均周轉(zhuǎn)時間分別是多少？⑶作業(yè)全部執(zhí)行結(jié)束的時間是多少？時間事件并行內(nèi)存使每個作業(yè)經(jīng)過作業(yè)每個作業(yè)需要的作業(yè)數(shù)用情況占CPU%時間的進度CPU時間8:00作業(yè)1開始1258:20作業(yè)3開始11002012053208:30作業(yè)1結(jié)束250101503515

作業(yè)4開始4209:00作業(yè)3結(jié)束250303150

作業(yè)2開始41552109:10作業(yè)4結(jié)束250104502559:15作業(yè)2結(jié)束11005250

作業(yè)5開始5159:30作業(yè)5結(jié)束1100155150圖示圖示圖示圖示圖示圖示作業(yè)提交時刻ts運行時間tr開始時刻tb完成時刻tc周轉(zhuǎn)時間Ti帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間Wi18:00258.008:30301.228:20109:009:15555.538:20208:209:0040248:30208:309:1040258:35159:159:30553.67平均周轉(zhuǎn)時間T=44(分鐘)平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間W=2.87422014.37作業(yè)1進入內(nèi)存后的資源使用情況015k100k作業(yè)18:00~8:20返回磁帶機打印機10作業(yè)1作業(yè)3進入內(nèi)存后的資源使用情況015k100k作業(yè)1作業(yè)375k8:20~8:30返回磁帶機打印機00作業(yè)1作業(yè)4進入內(nèi)存后的資源使用情況015k100k作業(yè)1作業(yè)375k95k作業(yè)48:30~9:00返回磁帶機打印機01作業(yè)2進入內(nèi)存后的資源使用情況030k100k作業(yè)175k95k作業(yè)4作業(yè)29:00~9:10返回磁帶機打印機10作業(yè)4結(jié)束后的資源使用情況030k100k作業(yè)1作業(yè)29:10~9:15返回磁帶機打印機20作業(yè)5進入內(nèi)存后的資源使用情況010k100k作業(yè)1作業(yè)59:15~9:30返回磁帶機打印機103.4實

時

調(diào)

度

實現(xiàn)實時調(diào)度的基本條件

1．提供必要的信息為了實現(xiàn)實時調(diào)度，系統(tǒng)應(yīng)向調(diào)度程序提供有關(guān)任務(wù)的下述一些信息：

(1)就緒時間。這是該任務(wù)成為就緒狀態(tài)的起始時間，在周期任務(wù)的情況下，它就是事先預(yù)知的一串時間序列；而在非周期任務(wù)的情況下，它也可能是預(yù)知的。

(2)開始截止時間和完成截止時間。對于典型的實時應(yīng)用，只須知道開始截止時間，或者知道完成截止時間。

(3)處理時間。這是指一個任務(wù)從開始執(zhí)行直至完成所需的時間。在某些情況下，該時間也是系統(tǒng)提供的。

(4)資源要求。這是指任務(wù)執(zhí)行時所需的一組資源。

(5)優(yōu)先級。如果某任務(wù)的開始截止時間已經(jīng)錯過，就會引起故障，則應(yīng)為該任務(wù)賦予“絕對”優(yōu)先級；如果開始截止時間的推遲對任務(wù)的繼續(xù)運行無重大影響，則可為該任務(wù)賦予“相對”優(yōu)先級，供調(diào)度程序參考。

2．系統(tǒng)處理能力強在實時系統(tǒng)中，通常都有著多個實時任務(wù)。若處理機的處理能力不夠強，則有可能因處理機忙不過來而使某些實時任務(wù)不能得到及時處理，從而導(dǎo)致發(fā)生難以預(yù)料的后果。

假定系統(tǒng)中有m個周期性的硬實時任務(wù)，它們的處理時間可表示為Ci，周期時間表示為Pi，則在單處理機情況下，必須滿足下面的限制條件：

系統(tǒng)才是可調(diào)度的。假如系統(tǒng)中有6個硬實時任務(wù)，它們的周期時間都是50ms，而每次的處理時間為10ms，則不難算出，此時是不能滿足上式的，因而系統(tǒng)是不可調(diào)度的。

解決的方法是提高系統(tǒng)的處理能力，其途徑有二：其一仍是采用單處理機系統(tǒng)，但須增強其處理能力，以顯著地減少對每一個任務(wù)的處理時間；其二是采用多處理機系統(tǒng)。假定系統(tǒng)中的處理機數(shù)為N，則應(yīng)將上述的限制條件改為：

3．采用搶占式調(diào)度機制在含有硬實時任務(wù)的實時系統(tǒng)中，廣泛采用搶占機制。當一個優(yōu)先權(quán)更高的任務(wù)到達時，允許將當前任務(wù)暫時掛起，而令高優(yōu)先權(quán)任務(wù)立即投入運行，這樣便可滿足該硬實時任務(wù)對截止時間的要求。但這種調(diào)度機制比較復(fù)雜。對于一些小型實時系統(tǒng)，如果能預(yù)知任務(wù)的開始截止時間，則對實時任務(wù)的調(diào)度可采用非搶占調(diào)度機制，以簡化調(diào)度程序和對任務(wù)調(diào)度時所花費的系統(tǒng)開銷。但在設(shè)計這種調(diào)度機制時，應(yīng)使所有的實時任務(wù)都比較小，并在執(zhí)行完關(guān)鍵性程序和臨界區(qū)后，能及時地將自己阻塞起來，以便釋放出處理機，供調(diào)度程序去調(diào)度那種開始截止時間即將到達的任務(wù)。

4．具有快速切換機制為保證要求較高的硬實時任務(wù)能及時運行，在實時系統(tǒng)中還應(yīng)具有快速切換機制，以保證能進行任務(wù)的快速切換。該機制應(yīng)具有如下兩方面的能力：

(1)對外部中斷的快速響應(yīng)能力。為使在緊迫的外部事件請求中斷時系統(tǒng)能及時響應(yīng)，要求系統(tǒng)具有快速硬件中斷機構(gòu)，還應(yīng)使禁止中斷的時間間隔盡量短，以免耽誤時機(其它緊迫任務(wù))。

(2)快速的任務(wù)分派能力。在完成任務(wù)調(diào)度后，便應(yīng)進行任務(wù)切換。為了提高分派程序進行任務(wù)切換時的速度，應(yīng)使系統(tǒng)中的每個運行功能單位適當?shù)匦?，以減少任務(wù)切換的時間開銷。

實時調(diào)度算法的分類

1．非搶占式調(diào)度算法

1)非搶占式輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法該算法常用于工業(yè)生產(chǎn)的群控系統(tǒng)中，由一臺計算機控制若干個相同的(或類似的)對象，為每一個被控對象建立一個實時任務(wù)，并將它們排成一個輪轉(zhuǎn)隊列。調(diào)度程序每次選擇隊列中的第一個任務(wù)投入運行。當該任務(wù)完成后，便把它掛在輪轉(zhuǎn)隊列的末尾，等待下次調(diào)度運行，而調(diào)度程序再選擇下一個(隊首)任務(wù)運行。這種調(diào)度算法可獲得數(shù)秒至數(shù)十秒的響應(yīng)時間，可用于要求不太嚴格的實時控制系統(tǒng)中。

2)非搶占式優(yōu)先調(diào)度算法如果在實時系統(tǒng)中存在著要求較為嚴格(響應(yīng)時間為數(shù)百毫秒)的任務(wù)，則可采用非搶占式優(yōu)先調(diào)度算法為這些任務(wù)賦予較高的優(yōu)先級。當這些實時任務(wù)到達時，把它們安排在就緒隊列的隊首，等待當前任務(wù)自我終止或運行完成后才能被調(diào)度執(zhí)行。這種調(diào)度算法在做了精心的處理后，有可能獲得僅為數(shù)秒至數(shù)百毫秒級的響應(yīng)時間，因而可用于有一定要求的實時控制系統(tǒng)中。

2．搶占式調(diào)度算法在要求較嚴格的(響應(yīng)時間為數(shù)十毫秒以下)的實時系統(tǒng)中，應(yīng)采用搶占式優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法。可根據(jù)搶占發(fā)生時間的不同而進一步分成以下兩種調(diào)度算法。

1)基于時鐘中斷的搶占式優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法在某實時任務(wù)到達后，如果該任務(wù)的優(yōu)先級高于當前任務(wù)的優(yōu)先級，這時并不立即搶占當前任務(wù)的處理機，而是等到時鐘中斷到來時，調(diào)度程序才剝奪當前任務(wù)的執(zhí)行，將處理機分配給新到的高優(yōu)先權(quán)任務(wù)。這種調(diào)度算法能獲得較好的響應(yīng)效果，其調(diào)度延遲可降為幾十毫秒至幾毫秒。因此，此算法可用于大多數(shù)的實時系統(tǒng)中。

2)立即搶占(ImmediatePreemption)的優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法在這種調(diào)度策略中，要求操作系統(tǒng)具有快速響應(yīng)外部事件中斷的能力。一旦出現(xiàn)外部中斷，只要當前任務(wù)未處于臨界區(qū)，便立即剝奪當前任務(wù)的執(zhí)行，把處理機分配給請求中斷的緊迫任務(wù)。這種算法能獲得非?？斓捻憫?yīng)，可把調(diào)度延遲降低到幾毫秒至100微秒，甚至更低。圖3-8中的(a)、(b)、(c)、(d)分別示出了采用非搶占式輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法、非搶占式優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法、基于時鐘中斷搶占的優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法和立即搶占的優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法四種情況的調(diào)度時間。

圖3-8實時進程調(diào)度

常用的幾種實時調(diào)度算法

1．最早截止時間優(yōu)先即EDF(EarliestDeadlineFirst)算法該算法是根據(jù)任務(wù)的開始截止時間來確定任務(wù)的優(yōu)先級。截止時間愈早，其優(yōu)先級愈高。該算法要求在系統(tǒng)中保持一個實時任務(wù)就緒隊列，該隊列按各任務(wù)截止時間的早晚排序；當然，具有最早截止時間的任務(wù)排在隊列的最前面。調(diào)度程序在選擇任務(wù)時，總是選擇就緒隊列中的第一個任務(wù)，為之分配處理機，使之投入運行。最早截止時間優(yōu)先算法既可用于搶占式調(diào)度，也可用于非搶占式調(diào)度方式中。

1)非搶占式調(diào)度方式用于非周期實時任務(wù)圖3-9示出了將該算法用于非搶占調(diào)度方式之例。該例中具有四個非周期任務(wù)，它們先后到達。系統(tǒng)首先調(diào)度任務(wù)1執(zhí)行，在任務(wù)1執(zhí)行期間，任務(wù)2、3又先后到達。由于任務(wù)3的開始截止時間早于任務(wù)2，故系統(tǒng)在任務(wù)1后將調(diào)度任務(wù)3執(zhí)行。在此期間又到達作業(yè)4，其開始截止時間仍是早于任務(wù)2的，故在任務(wù)3執(zhí)行完后，系統(tǒng)又調(diào)度任務(wù)4執(zhí)行，最后才調(diào)度任務(wù)2執(zhí)行。

圖3-9

EDF算法用于非搶占調(diào)度的調(diào)度方式

2)搶占式調(diào)度方式用于周期實時任務(wù)圖3-10示出了將最早截止時間優(yōu)先算法用于搶占調(diào)度方式之例。在該例中有兩個周期性任務(wù)，任務(wù)A的周期時間為20ms，每個周期的處理時間為10ms；任務(wù)B的周期時間為50ms，每個周期的處理時間為25ms。圖中的第一行示出了兩個任務(wù)的到達時間、最后期限和執(zhí)行時間圖。其中任務(wù)A的到達時間為0、20、40、…；任務(wù)A的最后期限為20、40、60、…；任務(wù)B的到達時間為0、50、100、…；任務(wù)B的最后期限為50、100、150、…(注：單位皆為ms)。

圖3-10最早截止時間優(yōu)先算法用于搶占調(diào)度方式之例

為了說明通常的優(yōu)先級調(diào)度不能適用于實時系統(tǒng)，該圖特增加了第二和第三行。在第二行中假定任務(wù)A具有較高的優(yōu)先級，所以在t=0ms時，先調(diào)度A1執(zhí)行，在A1完成后(t=10ms)才調(diào)度B1執(zhí)行；在t=20ms時，調(diào)度A2執(zhí)行；在t=30ms時，A2完成，又調(diào)度B1執(zhí)行；在t=40ms時，調(diào)度A3執(zhí)行；在t=50ms時，雖然A3已完成，但B1已錯過了它的最后期限，這說明了利用通常的優(yōu)先級調(diào)度已經(jīng)失敗。第三行與第二行類似，只是假定任務(wù)B具有較高的優(yōu)先級。

第四行是采用最早截止時間優(yōu)先算法的時間圖。在t=0時，A1和B1同時到達，由于A1的截止時間比B1早，故調(diào)度A1執(zhí)行；在t=10時，A1完成，又調(diào)度B1執(zhí)行；在t=20時，A2到達，由于A2的截止時間比B2早，B1被中斷而調(diào)度A2執(zhí)行；在t=30時，A2完成，又重新調(diào)度B1執(zhí)行；在t=40時，A3又到達，但B1的截止時間要比A3早，仍應(yīng)讓B1繼續(xù)執(zhí)行直到完成(t=45)，然后再調(diào)度A3執(zhí)行；在t=55時，A3完成，又調(diào)度B2執(zhí)行。在該例中利用最早截止時間優(yōu)先算法可以滿足系統(tǒng)的要求。

2．最低松弛度優(yōu)先即LLF(LeastLaxityFirst)算法該算法是根據(jù)任務(wù)緊急(或松弛)的程度，來確定任務(wù)的優(yōu)先級。任務(wù)的緊急程度愈高，為該任務(wù)所賦予的優(yōu)先級就愈高，以使之優(yōu)先執(zhí)行。例如，一個任務(wù)在200ms時必須完成，而它本身所需的運行時間就有100ms，因此，調(diào)度程序必須在100ms之前調(diào)度執(zhí)行，該任務(wù)的緊急程度(松弛程度)為100ms。又如，另一任務(wù)在400ms時必須完成，它本身需要運行

150ms，則其松弛程度為

250ms。在實現(xiàn)該算法時要求系統(tǒng)中有一個按松弛度排序的實時任務(wù)就緒隊列，松弛度最低的任務(wù)排在隊列最前面，調(diào)度程序總是選擇就緒隊列中的隊首任務(wù)執(zhí)行。

該算法主要用于可搶占調(diào)度方式中。假如在一個實時系統(tǒng)中，有兩個周期性實時任務(wù)A和B，任務(wù)A要求每

20ms執(zhí)行一次，執(zhí)行時間為

10ms；任務(wù)B只要求每50ms執(zhí)行一次，執(zhí)行時間為

25ms。由此可得知任務(wù)A和B每次必須完成的時間分別為：A1、A2、A3、…和B1、B2、B3、…，見圖3-11。為保證不遺漏任何一次截止時間，應(yīng)采用最低松弛度優(yōu)先的搶占調(diào)度策略。

圖

3-11

A和B任務(wù)每次必須完成的時間

在剛開始時(t1?=?0)，A1必須在20ms時完成，而它本身運行又需

10ms，可算出A1的松弛度為10ms；B1必須在50ms時完成，而它本身運行就需25ms，可算出B1的松弛度為25ms，故調(diào)度程序應(yīng)先調(diào)度A1執(zhí)行。在t2?=?10ms時，A2的松弛度可按下式算出：

A2的松弛度?=?必須完成時間?-?其本身的運行時間?-?當前時間

=?40ms-10ms-10ms?=?20ms

類似地，可算出B1的松弛度為15ms，故調(diào)度程序應(yīng)選擇B2運行。在t3?=?30ms時，A2的松弛度已減為0(即40?-?10?-?30)，而B1的松弛度為15ms(即50?-?5?-?30)，于是調(diào)度程序應(yīng)搶占B1的處理機而調(diào)度A2運行。在t4?=?40ms時，A3的松弛度為10ms(即60?-?10?-?40)，而B1的松弛度僅為5ms(即50?-?5?-?40)，故又應(yīng)重新調(diào)度B1執(zhí)行。在t5?=?45ms時，B1執(zhí)行完成，而此時A3的松弛度已減為5ms(即60?-?10?-?45)，而B2的松弛度為30ms(即100?-?25?-?45)，于是又應(yīng)調(diào)度A3執(zhí)行。在t6?=?55ms時，任務(wù)A尚未進入第4周期，而任務(wù)B已進入第2周期，故再調(diào)度B2執(zhí)行。在t7?=?70ms時，A4的松弛度已減至0ms(即80?-?10?-?70)，而B2的松弛度為20ms(即100?-?10?-?70)，故此時調(diào)度又應(yīng)搶占B2的處理機而調(diào)度A4執(zhí)行。圖3-12示出了具有兩個周期性實時任務(wù)的調(diào)度情況。

圖

3-12利用LLF算法進行調(diào)度的情況

3.5產(chǎn)生死鎖的原因和必要條件

產(chǎn)生死鎖的原因產(chǎn)生死鎖的原因可歸結(jié)為如下兩點：

(1)競爭資源。當系統(tǒng)中供多個進程共享的資源如打印機、公用隊列等，其數(shù)目不足以滿足諸進程的需要時，會引起諸進程對資源的競爭而產(chǎn)生死鎖。

(2)進程間推進順序非法。進程在運行過程中，請求和釋放資源的順序不當，也同樣會導(dǎo)致產(chǎn)生進程死鎖。

1．競爭資源引起進程死鎖

1)可剝奪和非剝奪性資源可把系統(tǒng)中的資源分成兩類，一類是可剝奪性資源，是指某進程在獲得這類資源后，該資源可以再被