第三章處理機調度與死鎖

§3.1處理機調度的層次

§3.2調度隊列模型和調度準則

§

§3.4實時調度

§3.5產生死鎖的原因和義要條件

§3.6預防死鎖的方法

§3.7死鎖的檢測與解除

3.1處理機調度的層次

§3.1.1高級調度

§3.1.2低級調度

§3.1.3中級調度

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1.作業和作業步

§(1)作業(Job)。作業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據，而且還應配有一份作業說明書，

系統根據該說明書來對程序的運行進行控制。在批處理系統

中，是以作業為基本單位從外存調入內存的。

§(2)作業步(JobStep)。通常，在作業運行期間，每個作業都

必須經過若干個相對獨立，又相互關聯的順序加工步驟才能

得到結果，我們把其中的每一個加工步驟稱為一個作業步，

各作業步之間存在著相互聯系，往往是把上一個作業步的輸

出作為下一個作業步的輸入。例如，一個典型的作業可分成

三個作業步：

★①“編譯”作業步，通過執行編譯程序對源程序進行編譯，產生若

干個目標程序段；

★②“連結裝配”作業步，將“編譯”作業步所產生的若干個目標程

序段裝配成可執行的目標程序；

★③“運行”作業步，將可執行的目標程序讀入內存并控制其運行。

§(3)作業流。若干個作業進入系統后，被依

次存放在外存上，這便形成了輸入的作業流；

在操作系統的控制下，逐個作業進行處理，

于是便形成了處理作業流。

2.作業控制塊JCBUobControl

Block）

§為了管理和調度作業，在多道批處理系統中為每個

作業設置了一個作業控制塊，如同進程控制塊是進

程在系統中存在的標志一樣，它是作業在系統中存

在的標志，其中保存了系統對作業進行管理和調度

所需的全部信息。

§在JCB中所包含的內容因系統而異，通常應包含的

內容有：

★作業標識、用戶名稱、用戶帳戶、

★作業類型（CPU繁忙型、I/O繁忙型、批量型、終端型）、

★作業狀態、調度信息（優先級、作業已運行時間）、

★資源需求（預計運行時間、要求內存大小、要求I/O設備的

類型和數量等）、

★進入系統時間、開始處理時間、作業完成時間、作業退

出時間、資源使用情況等。

后備隊列

§每當作業進入系統時，系統便為每個作業建

立一個JCB,根據作業類型將它插入相應的

后備隊列中。

§作業調度程序依據一定的調度算法來調度它

們，被調度到的作業將會裝入內存。

§在作業運行期間，系統就按照JCB中的信息

對作業進行控制。當一個作業執行結束進入

完成狀態日寸，系統負責回收分配給它的資源,

撤消它的作業控制塊。

3.作業調度

§作業調度的主要功能是根據作業控制塊中的

信息，審查系統能否滿足用戶作業的資源需

求，以及按照一定的算法，從外存的后備隊

列中選取某些作業調入內存，笄為它們創建

號進程、分配必要的資源。然后再將新創建的

”進程插入就緒隊列，準備執行。

1§因此，有時也把作業調度稱為接納調度

(AdmissionScheduling)o

§對用戶而言，總希望自己作業的周轉時間盡

可能的少，最好周轉時間就等于作業的執行

時間。

§然而對系統來說，則希望作業的平均周轉時

間盡可能少，有利于提高CPU的利用率和系

統的吞吐量。為此，每個系統在選擇作業調

度算法時，既應考慮用戶的要求，又能確保

系統具有較高的效率。在每次執行作業調度

時，都須做出以下兩個決定：

★1）決定接納多少個作業

★2）決定接納哪些作業

1)決定接納多少個作業

§作業調度每次要接納多少個作業進入內存，

取決于多道程序度(Degreeof

Multiprogramming),即允許多少個作業同時

在內存中運行。

§多道程序度的確定應根據系統的規模和運行

速度等情況做適當的折衷

★當內存中同時運行的作業數目太多時，可能會影

響到系統的服務質量，比如，使周轉時間太長。

但如果在內存中同時運行作業的數量太少時，又

會導致系統的資源利用率和系統吞吐量太俅。

2）決定接納哪些作業

§應將哪些作業從外存調入內存，這將取決于

所采用的調度算法。

★最箱單的是先來先服務調度算法，這是指將最早

進入外存的作業最先調入內存；

★較常用的一種算法是短作業優先調度算法，是將

外存上最短的作業最先調入內存；

★另一種較常用的是基于作業優先級的調度算法，

該算法是將夕卜存上優先級最高的作業優先調入內

存；

★比較好的一種算法是“響應比高者優先”的調度

算法。

分時系統和實時系統的作業調度

問題

§在批處理系統中，作業進入系統后，總是先

駐留在外存的后備隊列上，因此需要有作業

調度的過程，以便將它們分批地裝入內存。

§然而在分時系統中，為了做到及時響應，用

戶通過鍵盤輸入的命令或數據等都是被直接

送入內存的，因而無需再配置上述的作業調

度機制，但也需要有某些限制性措施來限制

進入系統的用戶數。即，如果系統尚未飽和,

將接納所有授權用戶，否則，將拒絕接納。

類似地，在實時系統中通常也不需要作業調

度。

3.1.2低級調度

§通常也把低級調度(LowLevelScheduling)稱

為進程調度或短程調度(ShortTerm

Scheduling),它所調度的對象是進程(或內核

F1級多線道程批)處。理進、程分調時度和是實最時基三本種的類一型種的調O度S，中在，

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§1.俅級調度的功能

1§2.進程調度中的三個基本機制

§3.進程調度方式

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§應當指出，上下文切換將花去不少的處理機

時間，即使是現代計算機，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

可執行上千條指令。

§為此，現在已有通過硬件（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態時使用,

★另一組寄存器供應用程序使用。

§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.進程調度方式

§1)非搶占方式(NonpreemptiveMode)

§2)搶占方式(PreemptiveMode)

1）非搶占方式［NomireeminNeMode

§在采用這種調度方式時，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分配給它

的處理機。直至該進程完成，自愿釋放處理機，或

發生某事件而被阻塞時，才再把處理機分配給其他

進程。

§在采用非搶占調度方式時，可能引起進程調度的因

素可歸結為如下幾個：

★（1）正在執行的進程執行完畢，或因發生某事件而不能再

繼續執行；

★（2）執行中的進程因提出I/O請求而暫停執行；

★（3）在進程通信或同步過程中執行了某種原語操作，如P

操作（wa讓操作）、Block原語、Wakeup原語等。

§非搶占方式的優點

★實現簡單，系統開銷小，適用于大多數的批處理

系統環境。

§非搶占方式的缺點

★難以滿足緊急任務的要求-----立即執行，因而可

能造成難以預料的后果。

§顯然，在要求比較嚴格的實時系統中，不宜

采用這種調度方式。

2)搶占方式［PreemmiueMode)

§這種調度方式允許調度程序根據某種原則去

暫停某個正在執行的進程，將已分配給該進

程的處理機重新分配給另一進程。

§搶占方式的優點是：

★可以防止一個長進程長時間占用處理機，能為大

多數進程提供更公平的服務，特別是能滿足對響

應時間有著較嚴格要求的實時任務的需求。

§搶占方式的缺點：

★搶占方式比非搶占方式調度所需付出的開銷較大。

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3.13中級調度

§中級調度(IntermediateLevelScheduling)又稱中程

調度

(Medium-TermScheduling)o

§引入中級調度的主要目的是為了提高內存利用率和

系統吞吐量。為此，應使那些暫時不能運行的進程

不再占用寶貴的內存資源，而將它們調至外存上去

等待，把此時的進程狀態稱為就緒駐外存狀態或掛

起狀態。當這些進程重又具備運行條件且內存又稍

有空閑日寸，由中級調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入內存，并修改其狀

態為就緒狀態，掛在就緒隊列上等待進程調度。

§中級調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。

§在上述三種調度中，進程調度的運行頻率最高，在

分時系統中通常是1。—100ms便進行一次進程調度,

因此把它稱為短程調度。為避免進程調度占用太多

的CPU時間，進程調度算法不宜太復雜。

§作業調度往往是發生在一個（批）作業運行完畢，退

出系統，而需要重新調＞一個（批）作業進入內存時，

故作業調度的周期較長，大約幾分鐘一次，因此把

它稱為長程調度。由于其運行頻率較低，故允許作

業調度算法花費較多的時間o

§中級調度的運行頻率基本上介于上述兩種調度之間,

因此把它稱為中程調度。

3.2調度隊列模型和調度準則

§3.2.1調度隊列模型

§322選擇調度方式和調度算法的若干準則

321調度隊列模型

§1.僅有進程調度的調度隊列模型

§2.具有高級和俅級調度的調度隊列模型

§3.同時具有三級調度的調度隊列模型

1.僅有進程調度的調度隊列模型

§在分時系統中，通常僅設置了進程調度，用

戶鍵入的命令和數據都直接送入內存。對于

命令，是由OS為之建立一個進程。

§系統可以把處于就緒狀態的進程組織成棧、

樹或一個無序鏈表，至于到底采用其中哪種

形式，則與OS類型和所采用的調度算法有關。

§例如，在分時系統中，常把就緒進程組織成

FIFO隊列形式。每當OS創建一個新進程時，

便將它掛在就緒隊列的末尾，然后按時間片

輪轉方式運行。

§每個進程在執行時都可能出現以下三種情況：

★(1)任務在給定的時間片內已經完成，該進程便在釋放處

理機后進入完成狀態;

★(2)任務在本次分得的時間片內尚未完成，OS便將該任

務再放入就緒隊列的末尾；

★(3)在執行期間，進程因為某事件而被阻塞后，被OS放

入阻塞隊列。

時間片完

圖3?1僅具有進程調度的調度隊列模型

11.具有高級和低級調度的調度隊

列模型

§在批處理系統中，不僅需要進程調度，而且還需有作業調

度，由后者按一定的作業調度算法，從外存的后備隊列中

選擇一批作業調入內存，并為它們建立進程，送入就緒隊

列，然后才由進程調度按照一定的進程調度算法選擇一個

進程，把處理機分配給該進程。

作業時間片完

圖3-2具有高、低兩級調度的調度隊列模型

該模型與上一模型的主要區別

§(1)就緒隊列的形式。在批處理系統中，最常用的是最高優

先權優先調度算法，相應地，最常用的就緒隊列形式是優先

權隊列。進程在進入優先級隊列時，根據其優先權的高低，

被插入具有相應優先權的位置上，這樣，調度程序總是把處

理機分配給就緒隊列中的隊首進程。在最高優先權優先的調

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，而調度程序每次調度時，是依次比較該鏈中各進程

的優先權，從中找出優先權最高的進程，將之從鏈中摘下，

并把處理機分配給它。顯然，無序鏈表方式與優先權隊列相

比，這種方式的調度效率較低。

§(2)設置多個阻塞隊列。對于小型系統，可以只設置一個阻

塞隊列；但當系統較大時，若仍只有一個阻塞隊列，其長度

必然會很長，隊列中的進程數可以達到數百個，這將嚴重影

響對阻塞隊列操作的效率。故在大、中型系統中通常都設置

了若干個阻塞隊列，每個隊列對應于某一種進程阻塞事件。

3.同時具有三級調度的調度隊列

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§當在OS中引入中級調度后，人們可把進程的就緒

狀態分為:

★內存就緒（表示進程在內存中就緒）

★外存就緒（進程在外存中就緒）。

§類似地，也可把阻塞狀態進一步分成

★內存阻塞

★外存阻塞

§在調出操作的作用下，可使進程狀態由內存就緒轉

為外存就緒，由內存阻塞轉為外存阻塞；在中級調

度的作用下，又可使外存就緒轉為內存就緒。

作業調度時間片完

圖3-3具有三級調度時的調度隊列模型

3.2.2選擇調度方式和調度算法的

若干準則

§1.面向用戶的準則

§2.面向系統的準則

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§通常把周轉時間的長短作為評價批處理系統的性能、

選擇作業調度方式與算法的重要準則之一。

§所渭周轉時間，是指從作業被提交給系統開始，到

作業完成為止的這段時間間隔（稱為作業周轉時間）o

它包括四部分時間：

★作業在外存后備隊列上等待（作業）調度的時間，

★進程在就緒隊列上等待進程調度的時間，

★進程在CPU上執行的時間,

★進程等待I/O操作完成的時間o

§其中的后三項在一個作業的整個處理過程中可能會

發生多次。

平均周轉時間

§對每個用戶而言，都希望自己作業的周轉時

間最短。但作為計算機系統的管理者，則總

是希望能使平均周轉時間最短，這不僅會有

效地提高系統資源的利用率，而且還可使大

多數用戶都感到滿意。

§可把平均周轉時間描述為：

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帶權周轉時間

§作業的周轉時間T與系統為它提供服務的時

間Ts之比，即W=T/Ts,稱為帶權周轉時間,

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