《A處理機(jī)調(diào)度》課件

A處理機(jī)調(diào)度處理機(jī)調(diào)度是操作系統(tǒng)中一項(xiàng)重要的功能，它負(fù)責(zé)管理和分配處理機(jī)資源。它決定哪個(gè)進(jìn)程或線程能夠獲得處理機(jī)，以及它們應(yīng)該運(yùn)行多長時(shí)間。課程目標(biāo)了解處理機(jī)調(diào)度基本概念理解處理機(jī)調(diào)度在操作系統(tǒng)中的重要作用。掌握常見的調(diào)度策略學(xué)習(xí)各種調(diào)度算法及其優(yōu)缺點(diǎn)，例如先來先服務(wù)、短作業(yè)優(yōu)先等。理解多處理機(jī)調(diào)度問題探討如何將多個(gè)任務(wù)分配到多個(gè)處理器上，并提高系統(tǒng)效率。學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)了解實(shí)時(shí)系統(tǒng)對調(diào)度算法的要求，并掌握常用的實(shí)時(shí)調(diào)度算法。處理機(jī)調(diào)度概述多任務(wù)管理處理機(jī)調(diào)度是操作系統(tǒng)核心功能之一，負(fù)責(zé)管理多個(gè)任務(wù)或進(jìn)程對處理機(jī)的訪問。資源分配調(diào)度程序根據(jù)預(yù)定義的策略分配處理機(jī)時(shí)間，確保各個(gè)任務(wù)都能獲得必要的處理時(shí)間。性能優(yōu)化合理的調(diào)度策略可以提高系統(tǒng)吞吐量、減少響應(yīng)時(shí)間，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。調(diào)度策略調(diào)度算法調(diào)度算法是處理機(jī)調(diào)度策略的核心，它根據(jù)不同的目標(biāo)和策略選擇合適的進(jìn)程進(jìn)行執(zhí)行。算法的目標(biāo)包括提高系統(tǒng)吞吐量、縮短平均響應(yīng)時(shí)間等。調(diào)度策略類型常見的調(diào)度策略類型包括先來先服務(wù)(FCFS)、短作業(yè)優(yōu)先(SJF)、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)(RR)、多級反饋隊(duì)列(MFQ)等。不同的調(diào)度策略適用于不同的場景，需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。最長工作時(shí)間方法最長工作時(shí)間方法是一種簡單的調(diào)度算法，它總是選擇執(zhí)行時(shí)間最長的任務(wù)。這種方法假設(shè)執(zhí)行時(shí)間最長的任務(wù)最能有效地利用處理機(jī)資源。1優(yōu)先級根據(jù)執(zhí)行時(shí)間排序2選擇選擇執(zhí)行時(shí)間最長的任務(wù)3執(zhí)行執(zhí)行所選任務(wù)4完成繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)最短完成時(shí)間方法1任務(wù)排序根據(jù)每個(gè)任務(wù)的預(yù)計(jì)完成時(shí)間進(jìn)行排序。2最短優(yōu)先優(yōu)先處理預(yù)計(jì)完成時(shí)間最短的任務(wù)。3動態(tài)調(diào)整隨著新任務(wù)的到來，重新排序并調(diào)整調(diào)度計(jì)劃。最短完成時(shí)間方法旨在最小化所有任務(wù)的總完成時(shí)間。此方法在時(shí)間敏感的應(yīng)用程序中非常有用，例如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和緊急任務(wù)管理。通過優(yōu)先處理預(yù)計(jì)完成時(shí)間最短的任務(wù)，可以快速完成工作，并提高系統(tǒng)的整體效率。最短等待時(shí)間方法概述最短等待時(shí)間方法是一種簡單的調(diào)度策略，它將優(yōu)先級分配給等待時(shí)間最短的進(jìn)程。優(yōu)缺點(diǎn)這種方法可以有效減少進(jìn)程的平均等待時(shí)間，但它可能會導(dǎo)致饑餓問題，即某些進(jìn)程可能永遠(yuǎn)無法獲得處理機(jī)資源。應(yīng)用場景最短等待時(shí)間方法通常用于交互式系統(tǒng)，例如在線游戲或web服務(wù)器，因?yàn)檫@些系統(tǒng)需要快速響應(yīng)用戶請求。最少趕工時(shí)間方法1定義最少趕工時(shí)間方法是按照最短的趕工時(shí)間對任務(wù)進(jìn)行排序，目的是盡量減少項(xiàng)目的總完成時(shí)間。2計(jì)算趕工時(shí)間是指任務(wù)完成所需的時(shí)間減去截止日期，最少趕工時(shí)間方法通常使用優(yōu)先級隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。3應(yīng)用此方法適用于需要在限定時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)任務(wù)的項(xiàng)目，例如軟件開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等。多處理機(jī)調(diào)度問題資源分配多個(gè)處理器需要分配給多個(gè)任務(wù)，以提高整體效率。通信協(xié)調(diào)處理器之間需要協(xié)調(diào)工作，以確保任務(wù)順利進(jìn)行。負(fù)載平衡任務(wù)分配要均衡，以防止某些處理器負(fù)載過重。調(diào)度算法需要使用合適的算法來分配任務(wù)，以提高效率。最長工作時(shí)間方法最長工作時(shí)間方法是一種貪心算法。該算法假設(shè)每個(gè)任務(wù)可以立即開始執(zhí)行。它選擇最長工作時(shí)間，并將它分配給空閑處理器，以此來最大限度地減少空閑時(shí)間。1排序根據(jù)工作時(shí)間對任務(wù)排序，從最長到最短。2分配將最長任務(wù)分配給空閑處理器。3執(zhí)行執(zhí)行已分配的任務(wù)，直到完成。最短完成時(shí)間方法1排序根據(jù)每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行排序。2分配將最短的任務(wù)優(yōu)先分配給處理機(jī)。3完成逐個(gè)完成排序后的任務(wù)。最短完成時(shí)間方法是一種貪婪算法，它試圖通過優(yōu)先處理最短的任務(wù)來最小化所有任務(wù)的總完成時(shí)間。最少資源消耗方法1基本原理該方法的目標(biāo)是將資源分配給那些能夠最快完成任務(wù)的進(jìn)程，從而減少資源的閑置時(shí)間，提高資源利用率。2資源分配根據(jù)進(jìn)程所需的資源量和完成任務(wù)所需的預(yù)計(jì)時(shí)間，將資源分配給最有可能快速完成任務(wù)的進(jìn)程。3資源回收當(dāng)進(jìn)程完成任務(wù)后，釋放其所占用的資源，以便其他進(jìn)程可以利用這些資源。實(shí)時(shí)調(diào)度1嚴(yán)格的時(shí)限要求實(shí)時(shí)任務(wù)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，否則會造成系統(tǒng)故障或數(shù)據(jù)丟失。2對時(shí)間敏感實(shí)時(shí)調(diào)度算法需要確保每個(gè)任務(wù)都能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，并避免任務(wù)之間的沖突。3資源管理實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要對系統(tǒng)資源進(jìn)行有效的管理，以保證任務(wù)能夠及時(shí)完成。先來先服務(wù)算法先來先服務(wù)(FCFS)先來先服務(wù)算法是最簡單、最直觀的調(diào)度算法之一。它按照進(jìn)程到達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間順序進(jìn)行調(diào)度，先到達(dá)的進(jìn)程先執(zhí)行。特點(diǎn)FCFS算法易于實(shí)現(xiàn)，但公平性較差。如果一個(gè)長作業(yè)先到達(dá)，則它會占用處理器很長時(shí)間，導(dǎo)致后面到達(dá)的短作業(yè)等待時(shí)間過長。適用場景FCFS算法適合于批處理系統(tǒng)或?qū)憫?yīng)時(shí)間要求不高的系統(tǒng)。短作業(yè)優(yōu)先算法基本思想短作業(yè)優(yōu)先算法根據(jù)作業(yè)執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行排序，將執(zhí)行時(shí)間短的作業(yè)優(yōu)先分配給處理器。它能夠有效地提高系統(tǒng)吞吐量，并減少平均等待時(shí)間。優(yōu)勢短作業(yè)優(yōu)先算法適用于處理大量短作業(yè)的情況，能夠有效地提高系統(tǒng)效率。劣勢短作業(yè)優(yōu)先算法對長作業(yè)很不利，可能會導(dǎo)致長作業(yè)長時(shí)間等待，造成饑餓現(xiàn)象。適用場景短作業(yè)優(yōu)先算法適用于處理大量短作業(yè)的系統(tǒng)，例如批處理系統(tǒng)或交互式系統(tǒng)。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法1基本思想為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，輪流執(zhí)行。2執(zhí)行過程每個(gè)進(jìn)程執(zhí)行完時(shí)間片后，會被強(qiáng)制掛起，并將CPU資源分配給下一個(gè)進(jìn)程。3特點(diǎn)能夠保證所有進(jìn)程獲得CPU資源，提高系統(tǒng)吞吐量。多級反饋隊(duì)列算法1高優(yōu)先級隊(duì)列短作業(yè)優(yōu)先2中優(yōu)先級隊(duì)列時(shí)間片輪轉(zhuǎn)3低優(yōu)先級隊(duì)列先來先服務(wù)多級反饋隊(duì)列算法是結(jié)合了多種調(diào)度算法的優(yōu)勢，通過多個(gè)隊(duì)列來處理不同類型的作業(yè)，每個(gè)隊(duì)列都有不同的優(yōu)先級和調(diào)度策略。高優(yōu)先級隊(duì)列用于處理短作業(yè)，使用短作業(yè)優(yōu)先策略，可以快速完成這些作業(yè)。中優(yōu)先級隊(duì)列使用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法，可以公平地處理多個(gè)中等長度的作業(yè)。低優(yōu)先級隊(duì)列使用先來先服務(wù)算法，用于處理較長的作業(yè)。實(shí)時(shí)調(diào)度算法性能分析算法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)先來先服務(wù)算法簡單易實(shí)現(xiàn)可能導(dǎo)致短作業(yè)等待時(shí)間過長短作業(yè)優(yōu)先算法提高系統(tǒng)吞吐量可能導(dǎo)致長作業(yè)饑餓時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法公平性較好時(shí)間片過短會導(dǎo)致效率降低多級反饋隊(duì)列算法平衡了吞吐量和響應(yīng)時(shí)間復(fù)雜度較高協(xié)作式多處理機(jī)調(diào)度共享資源多個(gè)處理器協(xié)同工作，共享系統(tǒng)資源，如內(nèi)存和外設(shè)。任務(wù)分配操作系統(tǒng)將任務(wù)分配給多個(gè)處理器，提高系統(tǒng)效率。同步協(xié)調(diào)處理器之間需要協(xié)調(diào)工作，確保數(shù)據(jù)一致性和正確性。性能提升協(xié)作式調(diào)度可以有效提高系統(tǒng)吞吐量和響應(yīng)速度。協(xié)作式調(diào)度的好處提高效率通過將任務(wù)分解并分配給不同的處理器，協(xié)作式調(diào)度可以顯著縮短任務(wù)的完成時(shí)間。資源優(yōu)化協(xié)作式調(diào)度可以有效地利用系統(tǒng)資源，避免單個(gè)處理器長時(shí)間空閑，從而提高整體資源利用率?？蓴U(kuò)展性強(qiáng)通過添加新的處理器，協(xié)作式調(diào)度可以輕松擴(kuò)展以處理更大的工作負(fù)載，提高系統(tǒng)的處理能力。協(xié)作式調(diào)度的實(shí)現(xiàn)1線程創(chuàng)建創(chuàng)建線程對象，并初始化線程相關(guān)數(shù)據(jù)。2線程掛起當(dāng)線程遇到等待或阻塞狀態(tài)時(shí)，會自動掛起。3線程喚醒當(dāng)?shù)却龡l件滿足或被其他線程喚醒時(shí)，線程恢復(fù)運(yùn)行。4線程終止線程完成任務(wù)或被其他線程終止，線程結(jié)束運(yùn)行。協(xié)作式調(diào)度通過線程自身控制來實(shí)現(xiàn)調(diào)度，當(dāng)線程主動放棄CPU控制權(quán)時(shí)，其他線程才有可能被調(diào)度運(yùn)行?；コ馀c同步問題互斥互斥是指多個(gè)進(jìn)程不能同時(shí)訪問共享資源。訪問資源的順序很重要，避免資源沖突。同步同步是指多個(gè)進(jìn)程協(xié)調(diào)工作，確保按順序執(zhí)行。需要保證進(jìn)程之間的協(xié)同，才能實(shí)現(xiàn)正確的結(jié)果。死鎖概念與預(yù)防死鎖定義多個(gè)進(jìn)程相互等待對方釋放資源，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖預(yù)防通過破壞死鎖產(chǎn)生的四個(gè)必要條件，避免死鎖的發(fā)生。預(yù)防方法資源分配策略，避免相互等待，確保資源按順序分配。預(yù)防原則系統(tǒng)必須嚴(yán)格執(zhí)行死鎖預(yù)防策略，確保安全性和穩(wěn)定性。死鎖檢測與解決11.死鎖檢測算法檢測系統(tǒng)中是否存在死鎖，并識別出參與死鎖的進(jìn)程。22.資源回收強(qiáng)行剝奪參與死鎖進(jìn)程的資源，并釋放回系統(tǒng)。33.進(jìn)程回滾將參與死鎖進(jìn)程回滾到之前的安全狀態(tài)，重新分配資源。44.進(jìn)程終止強(qiáng)制終止參與死鎖進(jìn)程，釋放其占有的資源。進(jìn)程間通信1共享內(nèi)存在共享內(nèi)存中，多個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)地址空間，可直接訪問彼此數(shù)據(jù)。2消息傳遞進(jìn)程通過消息隊(duì)列進(jìn)行通信，傳遞數(shù)據(jù)塊或結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。3管道管道是用來連接兩個(gè)進(jìn)程的通信通道，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流傳輸。4套接字套接字是網(wǎng)絡(luò)通信的接口，允許不同進(jìn)程或主機(jī)之間進(jìn)行通信。信號量機(jī)制信號量信號量是一個(gè)整數(shù)變量，用于控制對共享資源的訪問。它表示允許訪問該資源的計(jì)數(shù)。同步信號量用于同步多個(gè)進(jìn)程，確保它們以協(xié)調(diào)的方式訪問共享資源，避免沖突和數(shù)據(jù)不一致?；コ庑盘柫靠梢詫?shí)現(xiàn)互斥訪問，確保一次只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問共享資源。等待隊(duì)列當(dāng)一個(gè)進(jìn)程嘗試訪問一個(gè)已經(jīng)被占用的資源時(shí)，它會被添加到等待隊(duì)列中，直到信號量值變?yōu)檎龜?shù)，允許它訪問資源。監(jiān)控程序監(jiān)控程序的作用監(jiān)控程序負(fù)責(zé)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。它們可以實(shí)時(shí)收集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則進(jìn)行分析和判斷。當(dāng)檢測到異常情況時(shí)，監(jiān)控程序會及時(shí)發(fā)出警報(bào)，通知管理員進(jìn)行處理。監(jiān)控程序的類型常見的監(jiān)控程序類型包括系統(tǒng)監(jiān)控、應(yīng)用監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等。例如，系統(tǒng)監(jiān)控程序可以監(jiān)測CPU使用率、內(nèi)存占用率、磁盤空間等，而應(yīng)用監(jiān)控程序可以監(jiān)測網(wǎng)站流量、數(shù)據(jù)庫連接數(shù)等。處理機(jī)資源分配分配策略處理機(jī)資源分配是指將可用的處理機(jī)時(shí)間分配給不同的進(jìn)程或線程。調(diào)度算法不同的調(diào)度算法，例如先來先服務(wù)、短作業(yè)優(yōu)先、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等，都會影響處理機(jī)資源的分配效率。性能評估通過性能指標(biāo)，如平均等待時(shí)間、平均周轉(zhuǎn)時(shí)間等，可以評估處理機(jī)資源分配的有效性。作業(yè)流水線調(diào)度流水線調(diào)度概述流水線調(diào)度